Enzyme/ja: Difference between revisions

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。

[[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|Fe²⁺]]補酵素である。({{PDB|1KW0}})]]  

[[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。]]

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。

== 産業用途 ==

{{Anchor|Industrial applications}}

{{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。

! style="width:24%; "|適用

! style="width:38%; "|使用される酵素

! style="width:38%; "|用途

| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"|'''[[Biofuel/ja|バイオ燃料産業]]'''

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Cellulase/ja]]

| 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。

| [[Ligninase/ja]]

| バイオ燃料生産のための[[biomass/ja|バイオマス]]の前処理。

| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"| '''[[Biological detergent/ja]]'''

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Protease/ja]], [[amylase/ja]], [[lipase/ja]]

| 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。

| [[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。

| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="4"| '''[[Brewing/ja|醸造業]]'''

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Amylase/ja]], [[glucanase/ja]], [[protease/ja]]

| 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

| [[Betaglucanase/ja]]

| [[wort/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[[beer/ja|ビール]]を作り、発酵性を調整する。

| [[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。

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Cooking/ja|料理用]]'''

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Papain/ja]]

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|肉を[[Tenderizer/ja|柔らかくする]]

| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="2"| '''[[Dairy/ja|酪農業]]'''

| style = "border-top:solid 3px #aaa;"|[[Chymosin/ja|レンニン]]

| 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。

| [[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。

| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="4"| '''[[Food processing/ja]]'''

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Amylase/ja]]

| 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。

| [[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。

||[[Trypsin/ja]]

|[[hypoallergenic/ja|低刺激性]]のベビーフードを製造する。

| [[Cellulase/ja]], [[pectinase/ja]]

| [[fruit juice/ja|果汁]]をはっきりさせる。

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Molecular biology/ja]]'''

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Nuclease/ja]], [[DNA ligase/ja]], [[polymerase/ja]]

| 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。

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Paper/ja|製紙産業]]'''

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Xylanase/ja]], [[hemicellulase/ja]], [[lignin peroxidase/ja]]

| 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。

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|'''[[Personal care/ja]]'''

| style="border-top:solid 3px #aaa;"|[[Protease/ja]]

| 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。

| style="border-top:solid 3px #aaa;" rowspan="1"| '''[[Starch/ja|でんぷん産業]]'''

| style="border-top:solid 3px #aaa;"| [[Amylase/ja]]

| 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。