Enzyme/ja

酵素グルコシダーゼは糖マルトースを2つのグルコースに変換する。赤が活性部位残基、黒がマルトース基質、NAD残基である。黄色は補因子。(PDB: 1OBB​)

酵素 (/ˈɛnzaɪmz/) は、化学反応を促進することによって生物学的触媒として働くタンパク質である。 酵素が作用する分子は基質と呼ばれ、酵素は基質を生成物として知られる異なる分子に変換する。細胞内のほとんどすべての代謝過程は、生命を維持するのに十分な速さで起こるために酵素触媒を必要とする。 代謝経路は、個々のステップを触媒する酵素に依存している。酵素の研究は酵素学と呼ばれ、擬似酵素分析の分野では、進化の過程で一部の酵素が生物学的触媒作用を遂行する能力を失っていることを認識している。このことはしばしばアミノ酸配列や特異な「擬触媒」特性に反映されている。

酵素は5,000種類以上の生化学反応を触媒することが知られている。他の生体触媒は触媒RNA分子で、リボザイムと呼ばれる。酵素の特異性は、そのユニークな立体構造に由来する。

IUPACによる酵素の定義

すべての触媒と同様に、酵素はその活性化エネルギーを下げることによって反応速度を増加させる。一部の酵素は、基質から生成物への変換を何百万倍も速くすることができる。極端な例としては、オロチジン5'-リン酸脱炭酸酵素があり、この酵素を用いると、通常なら数百万年かかる反応が数ミリ秒で起こるようになる。化学的には、酵素は他の触媒と同様であり、化学反応で消費されることはなく、反応の平衡を変化させることもない。酵素は他のほとんどの触媒と異なり、はるかに特異的である。酵素活性は他の分子によって影響を受けることがある： 阻害剤は酵素活性を減少させる分子であり、活性化剤は活性を増加させる分子である。多くの治療薬物や毒物は酵素阻害剤である。酵素の活性は最適な温度とpH以外では著しく低下し、多くの酵素は過剰な熱にさらされると（永久的に）変性し、その構造と触媒特性を失う。

酵素の中には、例えば抗生物質の合成など、商業的に利用されているものもある。生物学的洗濯粉に含まれる酵素は衣服についたタンパク質やデンプン、脂肪の汚れを分解し、肉軟化剤に含まれる酵素はタンパク質をより小さな分子に分解して肉を噛み砕きやすくする。

語源と歴史

Eduard Buchner

17世紀後半から18世紀初頭までに、胃分泌物による肉の消化と、植物抽出物と唾液によるデンプンの糖への変換は知られていたが、これらが起こるメカニズムは特定されていなかった。

フランスの化学者Anselme Payenは1833年に初めて酵素であるジアスターゼを発見した。その数十年後、酵母による糖のアルコールへの発酵を研究していたルイ・パスツールは、この発酵は「発酵物」と呼ばれる酵母細胞内に含まれる生命力によって引き起こされると結論づけた。彼は「アルコール発酵は酵母細胞の生命と組織に関連した行為であり、細胞の死や腐敗に関連した行為ではない」と書いた。

1877年、ドイツの生理学者Wilhelm Kühne（1837-1900）が初めて酵素という用語を使用し、from Ancient Greek ἔνζυμον (énzymon) 'イーストで捏ねる'このプロセスを説明した。

1897年にエドゥアルド・ブフナーが酵母エキスの研究に関する最初の論文を提出した。彼はベルリン大学での一連の実験において、混合物中に生きた酵母細胞が存在しなくても、酵母エキスによって砂糖が発酵することを発見した。彼はショ糖の発酵をもたらす酵素を「ザイマーゼ」と名付けた。1907年、彼は「無細胞発酵の発見」によりノーベル化学賞を受賞した。ブフナーの例に倣い、酵素は通常、それらが行う反応に従って命名される。接尾辞-aseは基質の名前と組み合わされる（例えば、ラクターゼは乳糖を切断する酵素である）、あるいは反応の種類に組み合わされる（例えば、DNAポリメラーゼはDNAポリマーを形成する）。

酵素の生化学的な正体は、1900年代初頭にはまだ不明であった。多くの科学者は酵素活性がタンパク質と関連していることを観察していたが、他の科学者（ノーベル賞受賞者のリチャード・ウィルシュテッターなど）は、タンパク質は真の酵素の単なるキャリアであり、タンパク質それ自体は触媒作用ができないと主張していた。1926年、ジェームズ・B・サムナーはウレアーゼという酵素が純粋なタンパク質であることを示し、それを結晶化させた。1937年にはカタラーゼという酵素も同様に結晶化させた。純粋なタンパク質が酵素になりうるという結論は、消化酵素ペプシン（1930年）、トリプシン、キモトリプシンの研究を行ったジョン・ハワード・ノースロップとウェンデル・メレディス・スタンリーによって決定的に示された。これら3人の科学者は1946年にノーベル化学賞を受賞した。

酵素が結晶化できることが発見されると、最終的にはX線結晶構造解析によってその構造を解明することができるようになった。これが最初に行われたのはリゾチームで、涙や唾液、卵白に含まれ、いくつかのバクテリアの被膜を消化する酵素である。その構造はデイヴィッド・チルトン・フィリップスが率いるグループによって解明され、1965年に発表された。このリゾチームの高分解能構造は、構造生物学の分野の始まりであり、酵素がどのように働くのかを原子レベルの詳細さで理解しようとする努力の始まりであった。

分類と命名法

酵素は主に2つの基準で分類することができる：アミノ酸配列の類似性（したがって進化的関係）と酵素活性である。

酵素活性。酵素の名前は多くの場合、その基質または触媒する化学反応に由来し、語尾に-aseが付く。例えば、ラクターゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、DNAポリメラーゼなどである。同じ化学反応を触媒する異なる酵素はアイソザイムと呼ばれる。

国際生化学分子生物学連合は、酵素の命名法であるEC番号（「酵素委員会」の意）を開発した。 各酵素は "EC "の後に、酵素活性の階層（非常に一般的なものから非常に特異的なものまで）を表す4つの番号のシーケンスで記述される。つまり、最初の数字はそのメカニズムに基づいて酵素を大まかに分類し、他の数字はより特異性を高めていく。

トップレベルの分類は以下の通りである：

• EC 1の酸化還元酵素：酸化/還元反応を触媒する。
• EC 2, 転移酵素：官能基（メチル基やリン酸基など）を転移する。
• EC 3, ヒドロラーゼ：様々な結合の加水分解を触媒する
• EC 4, リアーゼ：加水分解と酸化以外の方法で様々な結合を切断する
• EC 5, イソメラーゼ：1分子内の異性体化変化を触媒する
• EC 6, リガーゼ：2つの分子を共有結合で結合させる。
• EC 7, トランスロカーゼ：膜を介したイオンや分子の移動、または膜内での分離を触媒する。

これらのセクションは、基質、生成物、化学機構などの他の特徴によって細分化される。酵素は4つの数値で完全に指定される。例えば、ヘキソキナーゼ（EC 2.7.1.1）は、アルコール基（EC 2.7.1）を含む分子であるヘキソース糖にリン酸基（EC 2.7）を付加する転移酵素（EC 2）である。

配列類似性。ECカテゴリーは配列の類似性を反映しない。例えば、全く同じ反応を触媒する同じEC番号の2つのリガーゼが、全く異なる配列を持つことがある。酵素はその機能とは無関係に、他のタンパク質と同様に、配列の類似性によって数多くのファミリーに分類されている。これらのファミリーは、Pfamのような何十種類ものタンパク質やタンパク質ファミリーのデータベースに記録されている。

非相同同機能酵素。同じ酵素活性を持つ非相同酵素は非相同同機能酵素と呼ばれている。遺伝子の水平転移によって、これらの遺伝子が無関係な生物種、特に細菌に広がり、同じ機能を持つ内在性遺伝子と置き換わる可能性がある。

構造

酵素活性は、最初は温度とともに増加する（Q10係数）が、酵素の構造がアンフォールディング（変性）し、ある中間温度で最適な反応速度を示すようになる。

「Protein structure/ja」も参照

酵素は一般に球状タンパク質であり、単独で、あるいはより大きな複合体の中で作用する。アミノ酸の配列が構造を決定し、それが酵素の触媒活性を決定する。構造は機能を決定するが、構造のみから新しい酵素活性を予測することはまだできない。酵素の構造は、加熱されたり化学的変性剤にさらされたりするとアンフォールディング（変性）する。その結果、温泉のような火山性環境に生息するバクテリアの酵素は、高温で機能する能力を持つため、産業界で珍重され、酵素触媒反応を非常に高い速度で行うことができる。

酵素は通常、基質よりもはるかに大きい。その大きさは、4-オキサロクロトン酸トートメラーゼの単量体のわずか62アミノ酸残基から、動物の脂肪酸合成酵素の2,500残基以上まで様々である。これらの構造のうち、触媒反応に直接関与しているのはごく一部（2-4アミノ酸程度）である。この触媒部位は、1つ以上の結合部位の隣に位置し、残基が基質を方向付ける。触媒部位と結合部位は一緒になって酵素の活性部位を構成する。酵素構造の残りの大部分は、活性部位の正確な方向と動態を維持する役割を果たしている。

酵素の中には、触媒反応に直接関与するアミノ酸を持たないものもある。その代わりに、酵素には触媒補因子を結合・配向させる部位が存在する。酵素の構造にはアロステリック部位が含まれることもあり、そこでは低分子の結合によって立体構造変化が起こり、活性が増減する。

リボザイムと呼ばれるRNAベースの生物学的触媒が少数存在し、これらも単独で、あるいはタンパク質と複合体となって作用する。これらの中で最も一般的なものはリボソームであり、タンパク質と触媒RNA成分の複合体である。

メカニズム

|酵素構造の整理とリゾチームの例。青が結合部位、赤が触媒部位、黒がペプチドグリカン基質である。(PDB: 9LYZ​)

基質結合

酵素は化学反応を触媒する前に、基質と結合しなければならない。酵素は通常、結合する基質と触媒される化学反応に関して非常に特異的である。特異性は、相補的な形状、電荷、親水性/疎水性特性を持つポケットを基質に結合させることで達成される。したがって酵素は、非常に類似した基質分子を化学選択性、位置選択性、立体特異性に区別することができる。

最も高い特異性と正確性を示す酵素のいくつかは、ゲノムのコピーと発現に関与している。これらの酵素の中には、「プルーフリーディング」機構を持つものがある。ここでは、DNAポリメラーゼなどの酵素が第一段階で反応を触媒し、第二段階で生成物が正しいかどうかをチェックする。この2段階のプロセスにより、高忠実度の哺乳類ポリメラーゼでは、平均エラー率は1億回の反応で1エラー以下となる。アミノアシルtRNA合成酵素とリボソームがある。

逆に、酵素の多様性を示す酵素もあり、広範な特異性を持ち、生理学的に適切な様々な基質に作用する。多くの酵素は、偶然に（すなわち中立）生じた小さな副次的活性を有しており、それが新しい機能を進化的に選択する出発点となっている可能性がある。

酵素は基質と結合すると誘導嵌合によって形を変え、酵素-基質複合体を形成する。ヘキソキナーゼは基質であるアデノシン三リン酸とキシロースの上で閉じる大きな誘導嵌合運動を持っている。青が結合部位、黒が基質、黄色が|Mg²⁺補酵素である。(PDB: 2E2N​, 2E2Q​)

"鍵と錠"モデル

1894年、酵素の特異性を説明するために、Emil Fischerは、酵素と基質が互いにぴったりはまる特定の相補的な幾何学的形状を持っていると提唱した。これはしばしば「鍵と錠」モデルと呼ばれる。この初期のモデルでは、酵素の特異性は説明できるが、酵素が達成する遷移状態の安定化は説明できない。

誘導適合モデル

1958年、Daniel Koshlandは"鍵と錠"モデルの修正を提案した：酵素はどちらかというと柔軟な構造であるため、活性部位は基質が酵素と相互作用する際に、基質との相互作用によって絶えず再形成される。その結果、基質は単純に硬い活性部位に結合するのではなく、活性部位を構成するアミノ酸側鎖は、酵素が触媒機能を発揮できるような正確な位置に成形される。グリコシダーゼなどの場合、基質分子も活性部位に入るとわずかに形を変える。活性部位は基質が完全に結合するまで変化し続け、その時点で最終的な形状と電荷分布が決定される。 誘導された適合は、コンフォメーション校正機構を介して、競合やノイズの存在下での分子認識の忠実度を高める可能性がある。

触媒作用

「Enzyme catalysis/ja」および「Transition state theory/ja」も参照

酵素はいくつかの方法で反応を促進することができるが、そのどれもが活性化エネルギー（ΔG^‡、ギブス自由エネルギー）を低下させる。

1. 遷移状態を安定化させる：
   • 遷移状態と相補的な電荷分布を持つ環境を作り、エネルギーを下げる。
2. 代替反応経路を提供する：
   • 基質と一時的に反応して共有結合中間体を形成し、より低エネルギーの遷移状態を提供する。
3. 基質の基底状態を不安定化する：
   • 結合した基質を遷移状態の形に変形させ、遷移状態に到達するのに必要なエネルギーを低下させる。
   • 基質を生産的な配置に配向させ、反応のエントロピー変化を減少させる（この機構の触媒反応への寄与は比較的小さい）。

酵素はこれらの機構のいくつかを同時に用いることがある。例えば、トリプシンのようなプロテアーゼは、触媒三重鎖を用いて共有結合触媒反応を行い、オキシアニオンホールを用いて遷移状態の電荷蓄積を安定化させ、配向した水基質を用いて加水分解を完了させる。

動力学

「Protein dynamics/ja」も参照

つまり、個々のアミノ酸残基、タンパク質ループや二次構造の単位を形成する残基のグループ、あるいはタンパク質ドメイン全体など、酵素の構造の一部の動きである。 これらの運動は、平衡で互いに変換しあう、わずかに異なる構造のコンフォーメーションアンサンブルを生み出す。このアンサンブル内の異なる状態は、酵素の機能の異なる側面に関連しているかもしれない。

例えば、酵素ジヒドロ葉酸還元酵素の異なるコンフォーメーションは、触媒サイクルの基質結合、触媒反応、補酵素放出、生成物放出の各ステップと関連しており、触媒共鳴理論と一致している。

基質提示

基質提示とは、酵素が基質から離れて隔離されるプロセスのことである。酵素は核や細胞質内の基質から離れた細胞膜に隔離される。あるいは膜内では、酵素は脂質ラフトに隔離され、無秩序領域にある基質から遠ざかる。酵素が放出されると基質と混合する。あるいは、酵素を活性化するために、酵素を基質の近くに封じ込めることもできる。例えば、酵素は可溶性で、活性化すると細胞膜の脂質に結合し、細胞膜の分子に作用する。

アロステリック・モジュレーション

詳細は「Allosteric regulation/ja」を参照

アロステリック部位とは、活性部位とは異なる酵素上のポケットのことで、細胞環境中の分子と結合する。これらの分子は、酵素のコンフォメーションやダイナミクスの変化を引き起こし、それが活性部位に伝達され、酵素の反応速度に影響を与える。このようにして、アロステリック相互作用は酵素を阻害することも活性化することもできる。酵素の代謝経路の上流または下流の代謝産物とのアロステリック相互作用はフィードバック制御を引き起こし、経路の残りの部分を通るフラックスに応じて酵素の活性を変化させる。

補因子=

黄色がチアミンピロリン酸の補酵素、黒がキシルロース5リン酸の基質である。(PDB: 4KXV​)

詳細は「Cofactor (biochemistry)/ja」を参照

酵素の中には、完全な活性を示すために追加の成分を必要としないものもある。また、活性を示すために補酵素と呼ばれる非タンパク質分子が結合している必要があるものもある。補因子は無機性（例えば、金属イオンや鉄-硫黄クラスターなど）、または有機化合物（例えば、フラビンやヘムなど）である。例えば、金属イオンは活性部位内の求核種を安定化させるのに役立つ。有機補酵素には、反応中に酵素の活性部位から放出される補酵素と、酵素に強固に結合している補欠基がある。有機補酵素基は共有結合することができる（例えば、ピルビン酸カルボキシラーゼなどの酵素ではビオチン）。

補因子を含む酵素の例は炭酸脱水酵素で、活性部位の一部として結合した亜鉛補酵素を用いる。これらの強固に結合したイオンや分子は通常活性部位に存在し、触媒反応に関与する。例えば、フラビンやヘムの補酵素はしばしば酸化還元反応に関与する。

補因子を必要とするが、補酵素が結合していない酵素はアポ酵素またはアポタンパク質と呼ばれる。酵素と活性に必要な補酵素を合わせてホロ酵素（またはハロ酵素）と呼ぶ。ホロ酵素という用語は、DNAポリメラーゼのような複数のタンパク質サブユニットを含む酵素にも適用できる。ここでいうホロ酵素とは、活性に必要なすべてのサブユニットを含む完全な複合体のことである。

補酵素

補酵素は小さな有機分子で、酵素に緩く結合していることもあれば、きつく結合していることもある。補酵素は、ある酵素から別の酵素へ化学基を輸送する。例えば、NADH、NADPH、アデノシン三リン酸（ATP）などがある。フラビンモノヌクレオチド（FMN）、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）、チアミンピロリン酸（TPP）、テトラヒドロ葉酸（THF）など、いくつかの補酵素はビタミンに由来する。これらの補酵素は体内で合成de novoすることができず、近縁の化合物（ビタミン）は食事から摂取しなければならない。運ばれる化学グループには以下のものがある：

• NADまたはNADP⁺によって運ばれるヒドリドイオン（H^-）
• アデノシン三リン酸によって運ばれるリン酸基
• コエンザイムAによって運ばれるアセチル基
• 葉酸によって運ばれるホルミル基、メテニル基、メチル基、および
• S-アデノシルメチオニンによって運ばれるメチル基

補酵素は酵素の作用の結果として化学的に変化するため、補酵素を多くの異なる酵素に共通する特殊な基質、すなわち第二基質と考えることは有用である。例えば、約1000種類の酵素が補酵素NADHを使用することが知られている。

補酵素は通常継続的に再生され、その濃度は細胞内で定常レベルに維持される。例えば、NADPHはペントースリン酸経路を通じて再生され、S-アデノシルメチオニンはメチオニンアデノシルトランスフェラーゼによって再生される。この継続的な再生は、少量の補酵素が非常に集中的に使用されることを意味する。例えば、人体は毎日自分の体重分のATPを消費している。

熱力学

化学反応の各段階のエネルギー。非触媒反応（破線）では、基質が遷移状態に到達するのに多くの活性化エネルギーを必要とし、その後、よりエネルギーの低い生成物に崩壊する。酵素触媒反応（実線）の場合、酵素は基質（ES）と結合し、遷移状態（ES^‡）を安定化させ、生成物（EP）を生成するのに必要な活性化エネルギーを減少させ、最終的に放出される。

詳細は「Activation energy/ja」、「Thermodynamic equilibrium/ja」、および「Chemical equilibrium/ja」を参照

すべての触媒と同様、酵素は反応の化学平衡の位置を変えることはない。酵素の存在下では、反応は酵素がない場合と同じ方向に進むが、より速く進むだけである。例えば、炭酸脱水酵素は反応物の濃度に応じて、どちらの方向にも反応を触媒する：

$\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{\text{Carbonic anhydrase}}{\to }\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$ ( 組織内; 高 CO₂ 濃度)

 

 

 

 

(1)

$\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{\text{Carbonic anhydrase}}{\leftarrow }\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$ ( 肺内; 低 CO₂ 濃度)

 

 

 

 

(2)

反応の速度は、遷移状態を形成するのに必要な活性化エネルギーに依存し、それが崩壊して生成物になる。酵素は遷移状態のエネルギーを下げることで反応速度を上げる。まず、結合によってエネルギーの低い酵素-基質複合体（ES）が形成される。次に、酵素は遷移状態を安定化させ、触媒されない反応（ES^‡）と比較して、遷移状態を達成するのに必要なエネルギーが小さくなる。最後に、酵素-生成物複合体（EP）が解離して生成物を放出する。

酵素は2つ以上の反応をカップリングさせることができ、熱力学的に有利な反応を、熱力学的に不利な反応を「駆動」するために使用することができる。例えば、ATPの加水分解は、しばしば他の化学反応の駆動に使われる。

動力学

酵素触媒作用の有無にかかわらず、化学反応機構をいう。酵素（E）は基質（S）と結合して生成物（P）を生成する。

酵素反応の飽和曲線は基質濃度と反応速度の関係を示す。

詳細は「Enzyme kinetics/ja」を参照

酵素動力学とは、酵素がどのように基質と結合し、それを生成物に変えるかを調べることである。速度論的解析に用いられる速度データは、一般に酵素アッセイから得られる。1913年にレオノール・ミヒャエリスとモード・レオノーラ・メンテンは酵素速度論の定量的理論を提唱し、これはミヒャエリス・メンテン速度論と呼ばれる。ミカエリスとメンテンの主要な貢献は、酵素反応を2段階で考えることであった。まず、基質が酵素に可逆的に結合し、酵素-基質複合体が形成される。これをミカエリスとメンテンにちなんでミカエリス-メンテン複合体と呼ぶこともある。その後、酵素は反応の化学段階を触媒し、生成物を放出する。この研究はG. E.ブリッグスとJ. B. S.ハルデンによってさらに発展し、今日でも広く使われている運動方程式を導いた。

酵素の速度は溶液条件と基質濃度に依存する。酵素反応の最大速度を求めるには、生成物の生成速度が一定になるまで基質濃度を上げる。これは右の飽和曲線に示されている。飽和が起こるのは、基質濃度が高くなるにつれて、遊離酵素が基質結合型ES複合体に変換される量が増えていくからである。酵素の最大反応速度（V_max）では、すべての酵素活性部位が基質と結合しており、ES複合体の量は酵素の総量と同じである。

V_maxはいくつかある重要な動力学パラメータのひとつに過ぎない。与えられた反応速度を達成するのに必要な基質の量も重要である。これはミカエリス-メンテン定数（K_m）で与えられ、酵素が最大反応速度の2分の1に達するのに必要な基質濃度である。一般に、各酵素は与えられた基質に対して特徴的なK_Mを持つ。もう一つの有用な定数はk_catで、ターンオーバー数とも呼ばれ、1秒間に1つの活性部位で処理される基質分子の数である。

酵素の効率はk_cat/K_mで表すことができる。これは特異性定数とも呼ばれ、最初の不可逆的なステップまでの反応の全ステップの速度定数を含んでいる。特異性定数は親和性と触媒能力の両方を反映するので、異なる酵素同士、あるいは同じ酵素と異なる基質を比較するのに有用である。特異度定数の理論的最大値は拡散限界と呼ばれ、約10⁸から10⁹（M^-1 s^-1）である。この時点では、酵素と基質が衝突するたびに触媒作用が起こり、生成物の生成速度は反応速度ではなく、拡散速度によって制限される。この性質を持つ酵素は、触媒的に完璧または動力学的に完全なと呼ばれる。このような酵素の例としては、トリオースリン酸イソメラーゼ、炭酸脱水酵素、アセチルコリンエステラーゼ、カタラーゼ、フマラーゼ、β-ラクタマーゼ、スーパーオキシドジスムターゼなどが挙げられる。このような酵素の回転数は、1秒間に数百万反応に達することもある。$k_{rmcat}/K_{rmm}$と$k_{rmcat}$の平均値はそれぞれ$10^5{rms}^{-1}{rmM}^{-1}$と$10{rms}^{-1}$ 程度である。

ミカエリス・メンテン動力学は、自由な拡散と熱力学的に駆動されるランダムな衝突という仮定から導かれる質量作用の法則に依存している。多くの生化学プロセスや細胞内プロセスは、高分子の混雑や制約された分子運動のために、これらの条件から大きく逸脱している。最近の複雑なモデルの拡張は、これらの効果を補正しようとするものである。

阻害

補酵素葉酸（左）と抗癌薬物メトトレキサート（右）は構造が非常に似ている（違いは緑色で示されている）。その結果、メトトレキサートは葉酸を利用する多くの酵素を競合的に阻害する。

詳細は「Enzyme inhibitor/ja」を参照

酵素反応速度は、様々な種類の酵素阻害剤によって低下する。

阻害の種類

競合的

競合的阻害剤と基質は同時に酵素に結合できない。多くの場合、競合的阻害剤は酵素の実際の基質によく似ている。例えば、メトトレキサートという薬物は、ジヒドロ葉酸のテトラヒドロ葉酸への還元を触媒する酵素ジヒドロ葉酸還元酵素の競合的阻害剤である。ジヒドロ葉酸とこの薬物の構造の類似性を添付の図に示す。この種の阻害は高濃度の基質で克服できる。場合によっては、阻害剤が通常の基質の結合部位以外の部位に結合し、通常の結合部位の形状を変化させるアロステリック効果を発揮することもある。

非競合的阻害

非競合的阻害剤は基質が結合する部位とは別の部位に結合する。基質は通常の親和性で結合するのでK_mは変わらない。しかし阻害剤は酵素の触媒効率を低下させるので、V_maxは減少する。競合的阻害とは対照的に、非競合的阻害は高い基質濃度では克服できない。

非競合的

非競合的阻害剤は遊離酵素には結合できず、酵素-基質複合体 にのみ結合する；したがって、この種の阻害剤は基質濃度が高 い場合に最も有効である。阻害剤の存在下では、酵素-基質複合体は不活性である。このタイプの阻害はまれである。

混合

混合阻害剤はアロステリック部位に結合し、基質と阻害剤の結合が互いに影響し合う。阻害剤と結合すると、酵素の機能は低下するが消失はしない。このタイプの阻害剤はミカエリス・メンテン方程式には従わない。

非可逆的

不可逆的阻害剤は、通常タンパク質に共有結合を形成することによって、酵素を永久的に不活性化する。ペニシリンやアスピリンはこの方法で作用する一般的な薬物である。

阻害剤の機能

多くの生物において、阻害物質はフィードバック機構の一部として働くことがある。酵素がある物質を過剰に生産する場合、その物質はそれを生産する経路の最初にある酵素の阻害剤として働き、十分な量があるときに物質の生産を減速させたり停止させたりする。これは負のフィードバックの一形態である。クエン酸サイクルなどの主要な代謝経路は、このメカニズムを利用している。

阻害剤は酵素の機能を調節するので、しばしば薬物として用いられる。そのような薬物の多くは、上記のメトトレキサートのような、酵素本来の基質に似た可逆的な競合阻害剤である。他のよく知られた例としては、高コレステロールの治療に用いられるスタチンや、HIVのようなレトロウイルス感染の治療に用いられるプロテアーゼ阻害剤がある。薬物として使用される不可逆的阻害剤の一般的な例はアスピリンであり、これは炎症のメッセンジャーであるプロスタグランジンを生成するCOX-1とCOX-2の酵素を阻害する。他の酵素阻害剤は毒である。例えば、毒シアン化合物は不可逆的な酵素阻害剤であり、酵素シトクロムcオキシダーゼの活性部位にある銅と鉄と結合し、細胞呼吸を阻害する。

酵素活性に影響を与える因子

酵素はタンパク質からできているため、その作用はpH、温度、基質濃度など、多くの生理化学的要因の変化に敏感である。

以下の表は、様々な酵素の至適pHを示している。

酵素	最適pH	pHの説明
ペプシン	1.5–1.6	強酸性
インベルターゼ	4.5	酸性
リパーゼ（胃）	4.0–5.0	酸性
リパーゼ（ヒマシ油）	4.7	酸性
リパーゼ（膵臓）	8.0	アルカリ性
アミラーゼ（麦芽）	4.6–5.2	アルカリ性
アミラーゼ（膵臓）	6.7–7.0	酸性-中性
セロビアーゼ	5.0	酸性
マルターゼ	6.1–6.8	酸性
スクラーゼ	6.2	酸性
カタラーゼ	7.0	中性
ウレアーゼ	7.0	中性
コリンエステラーゼ	7.0	中性
リボヌクレアーゼ	7.0–7.5	中性
フマラーゼ	7.8	アルカリ性
トリプシン	7.8–8.7	アルカリ性
アデノシン三リン酸	9.0	アルカリ性
アルギナーゼ	10.0	高アルカリ性

生物学的機能

酵素は、生体内で多種多様な機能を果たしている。それらはキナーゼやホスファターゼを介して、しばしばシグナル伝達や細胞調節に不可欠である。また、ミオシンがアデノシン三リン酸（ATP）を加水分解して筋収縮を起こすことで運動を生成したり、細胞骨格の一部として細胞内を荷物を運搬したりする。細胞膜における他のATPアーゼは、活性輸送に関与するイオンポンプである。酵素はまた、ホタルの光を発生させるルシフェラーゼのような、よりエキゾチックな機能にも関与している。ウイルスには、HIVインテグラーゼや逆転写酵素のように細胞に感染するための酵素や、インフルエンザウイルスのノイラミニダーゼのように細胞からウイルスを放出するための酵素も含まれている。

酵素の重要な機能は、動物の消化器官にある。アミラーゼやプロテアーゼなどの酵素は、大きな分子（それぞれデンプンやタンパク質）を小さな分子に分解し、腸で吸収できるようにする。例えばデンプン分子は大きすぎて腸から吸収されないが、酵素はデンプン鎖を麦芽糖や最終的にはグルコースのような小さな分子に加水分解し、吸収できるようにする。異なる酵素は異なる食物物質を消化する。草食性の反芻動物では、腸内の微生物が別の酵素であるセルラーゼを産生し、植物繊維のセルロース細胞壁を分解する。

代謝

解糖の代謝経路は、一連の中間代謝産物を介してグルコースをピルビン酸に変換することでエネルギーを放出する。それぞれの化学修飾（赤枠）は異なる酵素によって行われる。

いくつかの酵素は特定の順序で一緒に働くことができ、代謝経路を作る。代謝経路では、ある酵素が別の酵素の産物を基質として受け取る。触媒反応の後、生成物は別の酵素に受け渡される。複数の酵素が同じ反応を並行して触媒することもある。これによって、より複雑な制御が可能になる。例えば、ある酵素によって低い一定活性が提供されるが、第二の酵素によって誘導可能な高い活性が提供される。

酵素は、これらの経路でどのような段階を経るかを決定する。酵素がなければ、代謝は同じステップで進行することはなく、細胞のニーズに合わせて調節することもできない。ほとんどの中心的な代謝経路は、いくつかの重要なステップで制御されており、典型的にはATPの加水分解に関わる酵素の活性によって制御されている。この反応は非常に多くのエネルギーを放出するため、熱力学的に不利な他の反応をATP加水分解に結合させることができ、一連の代謝反応全体を連動させることができる。

活性の制御

酵素活性が細胞内で制御されるには、主に5つの方法がある。

制御

酵素は他の分子によって活性化または阻害される。例えば、代謝経路の最終産物は、経路の最初の酵素（通常、最初の不可逆的なステップ、コミットメントステップと呼ばれる）の阻害剤となることが多く、その結果、経路によって作られる最終産物の量が調節される。このような調節機構は負帰還機構と呼ばれる。負帰還機構は、細胞の要求に応じて中間代謝産物の合成速度を効果的に調節することができる。これは物質とエネルギー経済の効果的な配分に役立ち、最終産物の過剰製造を防ぐ。他の恒常性維持装置と同様に、酵素作用の制御は生物の内部環境を安定に保つのに役立つ。

翻訳後修飾

翻訳後修飾の例としては、リン酸化、ミリストイル化、グリコシル化が挙げられる。例えば、インスリンに対する応答において、グリコーゲン合成酵素を含む複数の酵素のリン酸化は、グリコーゲンの合成または分解の制御に役立ち、細胞が血糖値の変化に応答することを可能にする。翻訳後修飾のもう一つの例は、ポリペプチド鎖の切断である。消化プロテアーゼであるキモトリプシンは、膵臓で不活性型のキモトリプシノーゲンとして産生され、この状態で胃に運ばれて活性化される。これにより、酵素が腸に入る前に膵臓や他の組織を消化するのを阻止する。このような酵素の不活性前駆体は、酵素原またはプロ酵素として知られている。

量

酵素生産（酵素遺伝子の転写と翻訳）は、細胞の環境の変化に応答して、細胞によって増強されたり減少したりすることができる。このような遺伝子調節の形態を酵素誘導と呼ぶ。例えば、細菌がペニシリンなどの抗生物質耐性になるのは、ペニシリン分子内の重要なβ-ラクタム環を加水分解するβ-ラクタマーゼと呼ばれる酵素が誘導されるからである。もう1つの例は、薬物代謝において重要なシトクロムP450オキシダーゼと呼ばれる肝臓の酵素である。これらの酵素の誘導や阻害は薬物相互作用を引き起こす可能性がある。酵素レベルは、酵素の|分解速度を変えることによっても調節できる。酵素誘導の反対は酵素抑制である。

細胞内分布

酵素はコンパートメント化することができ、異なる代謝経路が異なる細胞コンパートメントで起こる。例えば、脂肪酸は細胞質、小胞体、ゴルジ体で1組の酵素によって合成され、ミトコンドリアではβ-酸化によってエネルギー源として別の1組の酵素によって利用される。さらに、酵素の取引によって、プロトン化の程度（例えば、中性の細胞質と酸性のリソソーム）や酸化状態（例えば、酸化的なペリプラズムや還元的な細胞質）が変化し、それが酵素活性に影響を与えることもある。膜結合オルガネラへの分配とは対照的に、酵素の細胞内局在は、高分子細胞質フィラメントへの酵素の重合によって変化することもある。

=臓器の特殊化

多細胞生物では 真核生物では、異なる器官や組織の細胞は異なる遺伝子発現パターンを持ち、したがって代謝反応に利用できる酵素セット（アイソザイムとして知られる）も異なる。これは生物の代謝全体を調節するメカニズムを提供する。例えば、解糖経路の最初の酵素であるヘキソキナーゼには、肝臓と膵臓に発現するグルコキナーゼと呼ばれる特殊な型があり、グルコースに対する親和性は低いが、グルコース濃度にはより敏感である。この酵素は血糖の感知とインスリン産生の調節に関与している。

疾患への関与

フェニルアラニン水酸化酵素では、構造全体にわたって300以上の異なる変異がフェニルケトン尿症を引き起こす。黒がフェニルアラニン基質とテトラヒドロビオプテリン補酵素、黄色がFe²⁺補酵素である。(PDB: 1KW0​)

酵素の遺伝的欠陥は一般的に、非X染色体がX染色体よりも多いために染色体遺伝する傾向があり、また、無効な遺伝子からの酵素が通常の遺伝子から来る酵素に比べて十分であるため、それが担体に症状を防ぐことができるため、劣性遺伝する傾向がある。

「Genetic disorder/ja」も参照

酵素活性の厳密な制御は恒常性に不可欠であるため、一つの重要な酵素の機能不全（突然変異、過剰産生、過小産生、欠失）は遺伝病につながる。人体に存在する何千種類もの酵素のうち、たった1種類の酵素の機能不全が致命的となることもある。酵素不全による致死的な遺伝病の例としては、テイ-サックス病があり、患者はヘキソサミニダーゼという酵素を欠いている。

酵素欠損症の一例として、最も一般的なタイプのフェニルケトン尿症がある。フェニルアラニンの分解の第一段階を触媒する酵素フェニルアラニン水酸化酵素の多くの異なる単一アミノ酸変異は、フェニルアラニンと関連産物の蓄積をもたらす。一部の変異は活性部位にあり、結合や触媒反応を直接阻害するが、多くは活性部位から遠く離れており、タンパク質の構造を不安定にしたり、正しいオリゴマー化に影響を与えることで活性を低下させる。未治療の場合、知的障害につながる可能性がある。 酵素の経口投与は、膵臓機能不全や乳糖不耐症など、いくつかの機能性酵素欠損症の治療に用いることができる。

酵素の機能不全が病気を引き起こすもう一つの方法は、DNA修復酵素をコードする遺伝子の生殖細胞系列変異によるものである。これらの酵素に欠陥があると、細胞がゲノムの変異を修復する能力が低下するため、癌が発生する。これにより突然変異がゆっくりと蓄積され、癌の発生に至る。このような遺伝性がん症候群の例として、色素性乾皮症があり、紫外線へのわずかな曝露でも皮膚がんの発症を引き起こす。

進化

他のタンパク質と同様に、酵素も突然変異や配列の分岐によって時間とともに変化する。代謝における中心的な役割を考えると、酵素の進化は適応において重要な役割を果たす。したがって重要な問題は、酵素がその酵素活性をどのように変化させることができるのかということである。一般に、多くの新しい酵素活性は遺伝子の重複と重複コピーの突然変異によって進化してきたと考えられているが、重複を伴わない進化も起こりうる。活性を変化させた酵素の一例として、メチオニルアミノペプチダーゼ（MAP）とクレアチンアミジノヒドロラーゼ（クレアチナーゼ）の祖先が挙げられるが、これらは明らかに相同であるが、全く異なる反応を触媒する（MAPは新しいタンパク質のアミノ末端のメチオニンを除去するのに対し、クレアチナーゼはクレアチンをサルコシンと尿素に加水分解する）。さらに、MAPは金属イオンに依存するが、クレアチナーゼはそうではないので、この性質も時間の経過とともに失われた。酵素活性の小さな変化は、酵素の間では極めて一般的である。特に、基質結合特異性（上記参照）は、基質結合ポケットのアミノ酸が1つ変わるだけで、簡単かつ迅速に変化する。これはキナーゼなどの主要な酵素クラスで頻繁に見られる。

人工（試験管内）進化は現在、工業的応用のために酵素活性や特異性を改変するために一般的に用いられている（下記参照）。

産業用途

詳細は「Industrial enzymes/ja」を参照

酵素は化学工業やその他の産業用途で、極めて特異的な触媒が必要とされる場合に用いられる。一般に酵素は、触媒するために進化してきた反応の数に限界があり、また有機溶媒中や高温での安定性に欠ける。その結果、タンパク質工学は活発な研究分野であり、合理的な設計や試験管内進化によって、新しい性質を持つ新しい酵素を作り出す試みが行われている。このような努力は成功を収め始めており、現在では、自然界では起こらない反応を触媒する酵素が「ゼロから」設計されている。

適用	使用される酵素	用途
バイオ燃料産業	Cellulase/ja	セルロースを糖に分解し、発酵させてセルロース系エタノールを生産する。
	Ligninase/ja	バイオ燃料生産のためのバイオマスの前処理。
Biological detergent/ja	Protease/ja, amylase/ja, lipase/ja	洗濯物や食器についたタンパク質、でんぷん、脂肪や油の汚れを落とす。
	Mannanase/ja	一般的な食品添加物であるグアーガムから食品の汚れを落とす。
醸造業	Amylase/ja, glucanase/ja, protease/ja	麦芽中の多糖類とタンパク質を分割する
	Betaglucanase/ja	麦汁とビールのろ過特性を改善する。
	Amyloglucosidase/jaとpullulanase/ja	低カロリーのビールを作り、発酵性を調整する。
	Acetolactate decarboxylase/ja (ALDC)	ジアセチルの生成を抑えて発酵効率を高める。
料理用	Papain/ja	肉を柔らかくする
酪農業	レンニン	チーズの製造においてタンパク質を加水分解する。
	Lipase/ja	カマンベールチーズやロックフォールなどのブルーチーズを生産する。
Food processing/ja	Amylase/ja	高フルクトース・コーンシロップの製造のように、デンプンから糖を生産する。
	Protease/ja	ビスケット作りのように、小麦粉のタンパク質レベルを下げる。
	Trypsin/ja	低刺激性のベビーフードを製造する。
	Cellulase/ja, pectinase/ja	果汁をはっきりさせる。
Molecular biology/ja	Nuclease/ja, DNA ligase/ja, polymerase/ja	制限消化とポリメラーゼ連鎖反応を使って組換えDNAを作る。
製紙産業	Xylanase/ja, hemicellulase/ja, lignin peroxidase/ja	クラフトパルプからリグニンを除去する。
Personal care/ja	Protease/ja	感染症を予防するために、コンタクトレンズに付着したタンパク質を除去する。
でんぷん産業	Amylase/ja	デンプンをブドウ糖と様々なシロップに変換する。

こちらも参照

• Industrial enzymes/ja
• List of enzymes/ja
• Molecular machine/ja

酵素データベース

• BRENDA/ja
• ExPASy/ja
• IntEnz/ja
• KEGG/ja
• MetaCyc/ja

さらに読む

一般

• Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2002). Biochemistry (5th ed.). New York, NY: W. H. Freeman. ISBN 0-7167-3051-0., A biochemistry textbook available free online through NCBI Bookshelf.

語源と歴史

• Cornish-Bowden A, ed. (1997). New Beer in an Old Bottle: Eduard Buchner and the Growth of Biochemical Knowledge. Universitat de València. ISBN 84-370-3328-4. Archived from the original on 13 December 2010. Retrieved 27 June 2006., A history of early enzymology.

酵素の構造とメカニズム

• Suzuki H (2015). How Enzymes Work: From Structure to Function. Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-981-4463-92-8.

動態と阻害

• Cornish-Bowden A (2012). Fundamentals of Enzyme Kinetics (4th ed.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3527330744.

外部リンク

• Media related to Enzymes at Wikimedia Commons