Enzyme/ja: Difference between revisions
Enzyme/ja
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{{main/ja|Enzyme kinetics/ja}} | {{main/ja|Enzyme kinetics/ja}} | ||
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[[:en:enzyme assay|酵素アッセイ]]から得られる。1913年に[[:en:Leonor Michaelis|レオノール・ミヒャエリス]]と[[:en:Maud Leonora Menten|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[[:en:Michaelis–Menten kinetics|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[[:en:George Edward Briggs|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[[:en:enzyme assay|酵素アッセイ]]から得られる。1913年に[[:en:Leonor Michaelis|レオノール・ミヒャエリス]]と[[:en: | |||
酵素の速度は[[Solution (chemistry)/ja|溶液]]条件と基質[[concentration/ja|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''<sub>max</sub>)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。 | 酵素の速度は[[Solution (chemistry)/ja|溶液]]条件と基質[[concentration/ja|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''<sub>max</sub>)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。 | ||
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酵素は他の分子によって[[enzyme activator/ja|活性化]]または[[enzyme inhibitor/ja|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[[negative feedback/ja|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[[homeostasis/ja|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。 | 酵素は他の分子によって[[enzyme activator/ja|活性化]]または[[enzyme inhibitor/ja|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[[negative feedback/ja|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[[homeostasis/ja|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==== | |||
=== | [[post-translational modification/ja|翻訳後修飾]]の例としては、[[phosphorylation/ja|リン酸化]]、[[myristoylation/ja|ミリストイル化]]、[[glycosylation/ja|グリコシル化]]が挙げられる。例えば、[[insulin/ja|インスリン]]に対する応答において、[[glycogen synthase/ja|グリコーゲン合成酵素]]を含む複数の酵素の[[phosphorylation/ja|リン酸化]]は、[[glycogen/ja|グリコーゲン]]の合成または分解の制御に役立ち、細胞が[[blood sugar/ja|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[[Chymotrypsin/ja|キモトリプシン]]は、[[pancreas/ja|膵臓]]で不活性型の[[chymotrypsinogen/ja|キモトリプシノーゲン]]として産生され、この状態で[[stomach/ja|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、[[zymogen/ja|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[[Transcription (genetics)/ja|転写]]と[[Translation (genetics)/ja|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[[regulation of gene expression/ja|遺伝子調節]]の形態を[[enzyme induction/ja|酵素誘導]]と呼ぶ。例えば、細菌が[[penicillin/ja|ペニシリン]]などの[[antibiotic resistance/ja|抗生物質耐性]]になるのは、ペニシリン分子内の重要な[[Beta-lactam/ja|β-ラクタム環]]を加水分解する[[beta-lactamase/ja|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、[[drug metabolism/ja|薬物代謝]]において重要な[[cytochrome P450 oxidase/ja|シトクロムP450オキシダーゼ]]と呼ばれる[[liver/ja|肝臓]]の酵素である。これらの酵素の誘導や阻害は[[drug interaction/ja|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[[catabolism/ja||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[[enzyme repression/ja|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[[cellular compartment/ja|細胞コンパートメント]]で起こる。例えば、[[fatty acid/ja|脂肪酸]]は[[cytosol/ja|細胞質]]、[[endoplasmic reticulum/ja|小胞体]]、[[golgi apparatus/ja|ゴルジ体]]で1組の酵素によって合成され、[[mitochondrion/ja|ミトコンドリア]]では[[β-oxidation/ja|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[[protein targeting/ja|取引]]によって、[[protonation/ja|プロトン化]]の程度(例えば、中性の[[cytoplasm/ja|細胞質]]と酸性の[[lysosome/ja|リソソーム]])や酸化状態(例えば、酸化的な[[periplasm/ja|ペリプラズム]]や還元的な[[cytoplasm/ja|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=== | |||
[[multicellular/ja|多細胞]]生物では [[eukaryote/ja|真核生物]]では、異なる[[organ (anatomy)/ja|器官]]や[[tissue (biology)/ja|組織]]の細胞は異なる[[gene expression/ja|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([[isozyme/ja|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、[[glycolysis/ja|解糖]]経路の最初の酵素である[[hexokinase/ja|ヘキソキナーゼ]]には、肝臓と[[pancreas/ja|膵臓]]に発現する[[glucokinase/ja|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[[affinity (pharmacology)/ja|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[[blood sugar/ja|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=== | |||
=== | [[File:Phenylalanine hydroxylase mutations.svg|thumb|upright=2|alt= フェニルアラニン水酸化酵素のリボン図と結合した補酵素、補酵素、基質|[[phenylalanine hydroxylase/ja|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[[phenylketonuria/ja|フェニルケトン尿症]]を引き起こす。黒が[[Phenylalanine/ja|フェニルアラニン]]基質と[[tetrahydrobiopterin/ja|テトラヒドロビオプテリン]]補酵素、黄色が[[Iron/ja|Fe<sup>2+</sup>]]補酵素である。({{PDB|1KW0}})]] | ||
[[File:Phenylalanine hydroxylase mutations.svg|thumb|upright=2|alt= | [[File:Autosomal recessive inheritance for affected enzyme.png|thumb|upright=1.4|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[[autosomal inheritance/ja|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、[[recessive inheritance/j|劣性]]遺伝する傾向がある。]] | ||
[[File:Autosomal recessive inheritance for affected enzyme.png|thumb|upright=1.4| | {{see also/ja|Genetic disorder/ja}} | ||
{{see also|Genetic disorder}} | |||
酵素活性の厳密な制御は[[homeostasis/ja|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、[[Tay–Sachs disease/ja|テイ-サックス病]]があり、患者は[[hexosaminidase/ja|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[[phenylketonuria/ja|フェニルケトン尿症]]がある。[[phenylalanine/ja|フェニルアラニン]]の分解の第一段階を触媒する酵素[[phenylalanine hydroxylase/ja|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、[[intellectual disability/ja|知的障害]]につながる可能性がある。 | |||
酵素の経口投与は、[[pancreatic insufficiency/ja|膵臓機能不全]]や[[lactose intolerance/ja|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 repair/ja|DNA修復]]酵素をコードする遺伝子の[[germline mutation/ja|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[[genome/ja|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、[[carcinogenesis/ja|癌の発生]]に至る。このような遺伝性[[cancer syndrome/ja|がん症候群]]の例として、[[xeroderma pigmentosum/ja|色素性乾皮症]]があり、[[:en:ultraviolet light|紫外線]]へのわずかな曝露でも[[skin cancer/ja|皮膚がん]]の発症を引き起こす。 | |||
== 進化 == | |||
{{Anchor|Evolution}} | |||
他のタンパク質と同様に、酵素も[[mutation/ja|突然変異]]や配列の分岐によって時間とともに変化する。[[metabolism/ja|代謝]]における中心的な役割を考えると、酵素の進化は[[adaptation/ja|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[[gene duplication/ja|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、[[methionyl aminopeptidase/ja|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([[creatinase/ja|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[[methionine/ja|メチオニン]]を除去するのに対し、クレアチナーゼは[[creatine/ja|クレアチン]]を[[sarcosine/ja|サルコシン]]と[[urea/ja|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[[kinase/ja|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 == | |||
{{Anchor|Industrial applications}} | |||
{{main|Industrial enzymes}} | {{main/ja|Industrial enzymes/ja}} | ||
酵素は[[chemical industry/ja|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[[organic solvent/ja|有機溶媒]]中や高温での安定性に欠ける。その結果、[[protein engineering/ja|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。 | |||
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
|- style="text-align:center;" | |- style="text-align:center;" | ||
! style="width:24%; "| | ! style="width:24%; "|適用 | ||
! style="width:38%; "| | ! style="width:38%; "|使用される酵素 | ||
! style="width:38%; "| | ! style="width:38%; "|用途 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"|'''[[Biofuel| | | style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"|'''[[Biofuel/ja|バイオ燃料産業]]''' | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Cellulase]] | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Cellulase/ja]] | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"| | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|セルロースを糖に分解し、発酵させて[[cellulosic ethanol/ja|セルロース系エタノール]]を生産する。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| [[Ligninase]] | | [[Ligninase/ja]] | ||
| | | バイオ燃料生産のための[[biomass/ja|バイオマス]]の前処理。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"| '''[[Biological detergent]]''' | | style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"| '''[[Biological detergent/ja]]''' | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Protease]] | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Protease/ja]], [[amylase/ja]], [[lipase/ja]] | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"| | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|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。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| [[Mannanase]] | | [[Mannanase/ja]] | ||
| | | 一般的な食品添加物である[[guar gum/ja|グアーガム]]から食品の汚れを落とす。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="4"| '''[[Brewing| | | style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="4"| '''[[Brewing/ja|醸造業]]''' | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Amylase]], [[glucanase]] | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Amylase/ja]], [[glucanase/ja]], [[protease/ja]] | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"| | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[malt/ja|麦芽]]中の多糖類とタンパク質を分割する | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| [[Betaglucanase]] | | [[Betaglucanase/ja]] | ||
| | | [[wort/ja|麦汁]]とビールのろ過特性を改善する。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| [[Amyloglucosidase]] | | [[Amyloglucosidase/ja]]と[[pullulanase/ja]] | ||
| | | 低カロリーの[[beer/ja|ビール]]を作り、発酵性を調整する。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| [[Acetolactate decarboxylase]] (ALDC) | | [[Acetolactate decarboxylase/ja]] (ALDC) | ||
| | | [[diacetyl/ja|ジアセチル]]の生成を抑えて発酵効率を高める。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Cooking| | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Cooking/ja|料理用]]''' | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Papain]] | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Papain/ja]] | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Tenderizer| | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|肉を[[Tenderizer/ja|柔らかくする]] | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"| '''[[Dairy| | | style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"| '''[[Dairy/ja|酪農業]]''' | ||
| style = "border-top:solid 3px #aaa;"|[[Chymosin| | | style = "border-top:solid 3px #aaa;"|[[Chymosin/ja|レンニン]] | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[ | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[cheese/ja|チーズ]]の製造においてタンパク質を[[hydrolyze/ja|加水分解]]する。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| [[Lipase]] | | [[Lipase/ja]] | ||
| | | [[Camembert cheese/ja|カマンベールチーズ]]や[[roquefort/ja|ロックフォール]]などの[[blue cheese/ja|ブルーチーズ]]を生産する。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="4"| '''[[Food processing]]''' | | style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="4"| '''[[Food processing/ja]]''' | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Amylase]] | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Amylase/ja]] | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"| | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[high-fructose corn syrup/ja|高フルクトース・コーンシロップ]]の製造のように、[[starch/ja|デンプン]]から糖を生産する。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| [[Protease]] | | [[Protease/ja]] | ||
| | | [[:en:biscuit|ビスケット]]作りのように、[[flour/ja|小麦粉]]のタンパク質レベルを下げる。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
||[[Trypsin]] | ||[[Trypsin/ja]] | ||
| | |[[hypoallergenic/ja|低刺激性]]のベビーフードを製造する。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| [[Cellulase]] | | [[Cellulase/ja]], [[pectinase/ja]] | ||
| | | [[fruit juice/ja|果汁]]をはっきりさせる。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Molecular biology]]''' | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Molecular biology/ja]]''' | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Nuclease]] | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Nuclease/ja]], [[DNA ligase/ja]], [[polymerase/ja]] | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"| | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[restriction enzyme/ja|制限消化]]と[[polymerase chain reaction/ja|ポリメラーゼ連鎖反応]]を使って[[recombinant DNA/ja|組換えDNA]]を作る。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Paper| | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Paper/ja|製紙産業]]''' | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Xylanase]] | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Xylanase/ja]], [[hemicellulase/ja]], [[lignin peroxidase/ja]] | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"| | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[kraft pulp/ja|クラフトパルプ]]から[[lignin/ja|リグニン]]を除去する。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Personal care]]''' | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Personal care/ja]]''' | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Protease]] | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Protease/ja]] | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"| | | style="border-top:solid 3px #aaa;"|感染症を予防するために、[[contact lens/ja|コンタクトレンズ]]に付着したタンパク質を除去する。 | ||
|- valign="top" | |- valign="top" | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="1"| '''[[Starch| | | style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="1"| '''[[Starch/ja|でんぷん産業]]''' | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"| [[Amylase]] | | style="border-top:solid 3px #aaa;"| [[Amylase/ja]] | ||
| style="border-top:solid 3px #aaa;"| | | style="border-top:solid 3px #aaa;"| [[starch/ja|デンプン]]を[[glucose/ja|ブドウ糖]]と様々な[[Inverted sugar/ja|シロップ]]に変換する。 | ||
|} | |} | ||
== こちらも参照 == | == こちらも参照 == |