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すべての生物は、その存在を維持するために、数多くの生化学反応を絶えず行っています。これらの反応のほとんどは、開始するためにエネルギーの入力を必要としますが、これは活性化エネルギーと呼ばれます。触媒は、活性化エネルギーを低下させる化学物質です。触媒は化学反応を促進しますが、それによって消費されるわけではありません。これは、触媒が特定の化学反応を連続して促進し、その反応の速度を増加させることができることを意味します。
酵素は、生化学反応の速度と効率を高める生物学的触媒です。ほとんどの酵素はタンパク質ですが、特定のリボ核酸分子も触媒特性を持っています。各タイプの酵素は、1つまたは少数の特定の基質にしか結合できないため、非常に多様な酵素があり、すべて異なる機能を持っています。酵素の特異的反応は、その基質の形状と密接に一致する形状を持つ活性部位に依存します。基質が結合すると、酵素はわずかに形状を変化させ、化学反応がより容易に起こりやすくなり、反応の活性化エネルギーが減少します。反応が起こると、酵素は生成物を放出して元の形状に戻り、このプロセスを再び繰り返すことができます。
ほとんどの酵素反応は、異化反応と同化反応のいずれかに分類でき、これらは反対の機能を持っています。異化反応を媒介する酵素は、より大きな物質を複数の製品に分解します。よく知られている異化酵素はラクターゼであり、乳製品中の二糖類ラクトースを単糖類のガラクトースとグルコースに分割します。ヒトは出生後、小腸に大量のラクターゼを持っていますが、多くの人は幼児期までにラクターゼの90%以上を失います1。この減少により、乳糖不耐症として知られる加齢依存性で乳糖を消化する能力が低下します2。
同化酵素は、複数の物質を1つの製品にまとめたものです。例えば、DNAポリメラーゼという酵素は、ヌクレオチドを結合させることでDNA分子を合成します。同様に、酵素グリコーゲンシンターゼはグルコース分子を結合してグリコーゲンを生成します。インスリンはグリコーゲン合成酵素の活性を調節するため、インスリンレベルが低いまたはまったくない糖尿病患者は、インスリン治療なしでグリコーゲンを合成できません3。
酵素の活性部位の形状と電荷は、それが触媒する特定の化学反応に合わせて調整されるため、酵素活性はその活性部位に影響を与える要因の影響を受けます。したがって、酵素が最適なレベルで機能するためには特定の条件が必要であり、その機能と場所によって、これらの条件は大きく異なる可能性があります。これらの要因には、pHと温度が含まれます。例えば、酵素の活性部位はしばしば酸性または塩基性アミノ酸を含む。最適なpHからの逸脱は、活性部位の電荷を変化させ、基質が酵素と相互作用しにくくします。この特性は、何世紀にもわたって、ピクルスによって食品を保存するために使用されてきました。これにより、ピクルス食品のpHが微生物の酵素活性を効果的に阻害するレベルまで低下します。同様に、各酵素は最適な温度範囲で機能します。温度がこの範囲を下回ったり上回ったりすると、活性部位の形状が変化し、基質と効果的に相互作用できなくなります。ほとんどの場合、最適な温度に戻ると酵素の元の形状と機能が回復しますが、温度が高すぎると、酵素の構造が変性したり、不可逆的に損傷したりする可能性があります。繰り返しになりますが、これらの特性は食品の安全性に役立ちます。私たちは、有害なバクテリアの酵素を変性させることで有害なバクテリアを殺すために肉を徹底的に調理し、ほとんどの食品を冷蔵して微生物の酵素活性を遅らせます。
極限環境微生物、つまりほとんどの生命体にとって致命的な極限状態で発見された生物は、その極限状態で機能できる酵素を持っています。例えば、Thermus aquaticusは、温泉や熱水噴出孔で発見される細菌で、ほとんどのタンパク質が変性する温度に達します。Taqポリメラーゼは、T. aquaticusに見られる耐熱性DNAポリメラーゼであり、これにより、迅速なDNA複製のために広く使用されている実験室法であるポリメラーゼ連鎖反応(PCR)の開発が可能になりました。PCRでは、複製するDNA二重らせんの鎖を分離するために高温が必要です。Taqポリメラーゼは、ほとんどの酵素が分解される一方で、これらの高温で安定しています。DNAを一本鎖に分解する高温と、ポリメラーゼが新しい二本鎖DNAを構築できるようにする低温との間のPCRサイクル。
特定のpHと温度範囲に加えて、一部の酵素は他の分子やイオンの存在下でよりよく機能します。補酵素は、酵素の活性部位に結合し、反応によって消費されることなく触媒作用に関与する生体分子です。補酵素は、多くの場合、電子、特定の原子、官能基を輸送するため、中間キャリアとして機能します。ビタミンB群は、数多くの生化学反応の補酵素として働きます。例えば、パントテン酸の活性型であるコエンザイムA(coA)は、全哺乳類の酵素の4%に必要とされています4。補因子は、酵素機能に必要なイオンなどの無機物質として分類されることがよくあります。例えば、すべてのDNAポリメラーゼ酵素は、DNA複製だけでなく、誤って取り込まれたヌクレオチドの切除にもMg2+またはMn2+を必要とします5。
酵素が機能するために必要ではないが、酵素活性を変化させることができる他の分子もあります。酵素活性を高める物質は活性化剤と呼ばれ、酵素活性を低下させる物質は阻害剤と呼ばれます。これらの分子は、活性部位またはアロステリック部位として知られる酵素上の他の場所で酵素に結合します。これらの分子は、活性部位の正確な位置に基質として結合し、酵素結合をめぐって基質と競合することがあります。他の物質、特にアロステリック部位に結合する物質は、活性部位に結合する基質をブロックせずに酵素機能を変化させることができるため、非競合的です。さらに、阻害剤の結合は可逆的または不可逆的であり得る。相互作用が可逆的である場合、阻害剤が分離すると、酵素はその機能を再開できます。しかし、結合が不可逆的な場合、阻害剤は酵素から決して分離せず、酵素は修復不可能なほど損傷し、交換が必要になります。それにもかかわらず、酵素阻害剤も有用です。例えば、阻害剤は、細菌の増殖を阻害する抗生物質として、また、がん細胞の制御不能な分裂を阻害する化学療法として利用されてきた6。
科学者がさまざまな条件が酵素機能に及ぼす影響を研究するために使用する方法の1つは、酵素が反応を触媒する速度である反応速度を定量化することです。したがって、反応速度が高いほど、酵素が反応をより効率的に触媒していることを示し、反応速度が低いほど、酵素の働きが遅くなっていることを意味します。反応速度を決定するために、単位時間あたりに作られる製品の量を測定することにより、反応速度が計算されます。これは、生成物濃度が直線的に増加している反応の開始位置から、酵素が基質で完全に飽和し、触媒作用が定常レベルに達するまで、生成物濃度を測定することによって行われます。ベースライン反応速度が決定されると、さまざまな処理を比較する際の基準点またはコントロールとして使用できます。反応速度は、相対的または絶対的な尺度として評価できます。相対反応速度は、1つの実験での処理など、2つ以上の条件間の違いを示す比較尺度ですが、測定対象の値を示すものではありません。絶対反応速度は、反応の進行の定量的尺度に依存します。相対反応速度と絶対反応速度の違いを理解する簡単な方法は、レースで車の速度を測定することを考えることです。相対的手法は、フィニッシュラインでの車のランキングを評価することで比較しますが、絶対的手法は、個々の車の速度をマイル/時で評価し、比較します。
酵素は非常に広く使用されているため、研究者は、タンパク質工学として知られる、特定のニーズに合わせて酵素を作成および変更する方法を探し始めています。組換えDNAテクノロジーでは、アミノ酸配列を変更して、酵素の形状や活性部位の親和性を変更することができます。これは、さまざまな状態に対する高感度の診断テストを作成するために使用されてきただけでなく、バイオレメディエーションの取り組みや廃棄物管理ツールにも使用されています7。
ヨーロッパの探検家は十分な知識、技術、設備を持っていましたが、なぜ彼らは15世紀の終わりまで新世界に到達しなかったのでしょうか?この質問に対する答えが、触媒として機能する酵素と呼ばれる小さな生体分子に関連していることを知って驚かれることでしょう。
触媒とは?これは、より少ないエネルギーで反応をより迅速に起こすことを可能にする物質です。触媒を使わない生物学的反応に必要なエネルギーのグラフをプロットすると、次のようになります。この高さは、反応が進行するために必要な最小エネルギー量である活性化エネルギーを表します。酵素は触媒として機能し、より低い活性化エネルギーで代替の反応経路を提供します。
では、酵素は実際にはどのように機能するのでしょうか?ほとんどの酵素はタンパク質です。その構造のうち、触媒する分子と相互作用する部分は活性部位と呼ばれ、特定の基質にのみ親和性を持ち、他の基質とは結合しません。正しい基質が活性部位に入ると、酵素はその形状を変化させ、より高い親和性構成を達成します。この遷移状態は反応を促進し、反応物を生成物に変換します。しかし、この酵素は製品に対する親和性が低いため、製品を放出して元の形状に戻り、同じプロセスを繰り返す準備ができています。これは、単一の基質を分解して複数の生成物を形成するため、異化酵素の例です。これの反対は同化酵素であり、2つの基質を取り、それらを結合してより大きな製品を作ります。
酵素が機能する方法は他にもたくさんあります。例えば、この酵素は単一の基質を新しい形状に変換します。一方、これは、1つの基板の一部を別の基板に移します。一部の酵素は、それ自体で反応を触媒することができず、反応を触媒するために補因子または補酵素を必要とします。
では、これらすべてが15世紀の航海とどのように関連しているのか疑問に思われるかもしれません。当時、船員はコラーゲン合成に不可欠な補酵素であるビタミンCを含む新鮮な農産物を手に入れることができませんでした。そのため、船員たちは壊血病というビタミンC欠乏症を発症し、しばしば命にかかわる結果となりました。彼らは、ビタミンCが豊富な果物や野菜を漬けることでこの問題を解決しました。酸洗いは食品のpHを下げ、食品を腐敗させる原因となる微生物酵素の活性を妨げました。したがって、微生物酵素の破壊と必須補酵素の保存は、長期の遠征の成功に大きな役割を果たしました。
このラボでは、単位時間あたりの反応速度、つまり生成される製品の量を評価することにより、さまざまな条件が酵素機能にどのように影響するかを定量化できます。まず、標準的な室温と中性のpHでベースライン反応速度を測定します。この速度は、すべての酵素分子が基質で完全に飽和するまで、最初は増加します。そして、酵素が結合基質、触媒作用および放出のサイクルを継続するのに忙しいので、触媒作用は安定したレベルに達する。ベースライン反応速度が確立されると、他の条件の基準点として使用できます。このラボで扱う酵素は、カブペルオキシダーゼです。温度とpHのさまざまな値の下でその活性を評価します。
