酵素化学超短期講座

酵素化学超短期講座

1. 酵素化学の基礎用語

［参考（雑学？）］

 1713 レオミュール 鷹に金網で包んだ肉を飲ま込ませ肉が溶けることを確認  1783 スパランツァーニ 胃内の液がガラス容器内でも肉を溶かすことを確認  1833 ペイヤン、ぺルゾー 麦芽からジアスターゼ（デンプン→糖）を発見  1836 シュワン ペプシンを発見

 1876 キューネ 膵臓からトリプシンを発見、Enzym（酵母の中に存在するもの）という名称を使う  1894 フィッシャー カギとカギ穴説を提唱

 1926 サムナー ウレアーゼの結晶化 ⇨ 酵素の本体はタンパク質

 1981と1983 チェックとアルトマン RNA酵素（ribozyme）の発見 ⇨核酸も酵素

2. 酵素反応の特徴  （１）基質特異性

・鍵と鍵穴説(by Fischer) ・誘導適合説(by Koshland)

 （２）至適条件：酵素が最大活性を発揮する条件。pH、温度などがある。

○至適pH

…においては、その酵素は基質と結合するために最適の構造を とっている。しかしそれよりpHが上がったり下がったりする と、側鎖の荷電等が変化し、酵素全体の構造が崩れる。そのた めに、基質との結合力が落ち、反応速度が低下する。

○至適温度

…においては、その酵素は基質と結合するために最適の構造 をとっている。しかしそれより温度が上がると、熱振動のた めに構造が崩れ、基質との結合力が弱まる。ある程度まで崩 れても可逆的に復活できるが、完全に”伸びた鎖”状態になる と酵素はその能力を完全に失う（失活）。反対に温度が下が ると、分子（酵素、基質）の熱運動が低下し、酵素・基質間 の衝突回数が減少する。その結果、反応速度が低下する。

3. 酵素の反応速度論  （１）活性化エネルギー

 化学反応などの速度過程が起こるときには、反応原系がエネル ギーの高い遷移状態を経て生成系に移行すると考えられている。

この遷移状態と反応原系のエネルギーの差を活性化エネルギーと いう。

 （２）ミカエリスーメンテン曲線

酵素反応速度と基質濃度の間には右次のような関係がある。

この曲線を式で表したい。

酵素反応が次式のように進むと仮定する。

E + S ⇄ ES → E + P ･･･①

酵素基質複合体ESの生成・分解速度は次式で表される。

v(生成)=k₁[E][S] と v(分解)=(k-1+k₂)[ES]

①式の反応が平衡状態であるならば、v(生成)=v(分解)である。

k₁[E][S]=(k^-1+k₂)[ES] ･･･②

ここで、[E]と[S]は[ES]を用いて次のように表される。

[E]=[E₀]-[ES] と [S]=[S₀]-[ES] [S₀] ( [S₀] [E₀] [ES])

②式にこれらの式を代入後、変形すると、次のようになる。

[ES] = k

[E

][S]

k

[S] + k

+ k

今回求めたいのは酵素反応速度v（=k₂[ES]）であるから

v = k

k

[E

][S]

k

[S] + k

+ k

= k

[E

][S]

k 1+k2 k1

+ [S]

ここで、Km (k-1+k₂)/k₁（ミカエリス定数）とおくと

v = k

[E

][S]

K

+ [S]

Km [S]の時、次式のように近似される。

v = k

[E

][S]

[S] = k

[E

]

ここで、Vmax k₂[E₀]（最大反応速度）とすると、③式は次のようになる。

v = V

[S]

K

+ [S]

実際に使用する時は、両辺の逆数をとって

1

v = K

+ [S]

V

[S] = K

V

· 1 [S] + 1

V

４. 酵素阻害剤

 （１）拮抗阻害剤 (Competitive inhibitor)

v = V

[S]

K

(1 +

) + [S]

 （２）非拮抗阻害剤 (Noncompetitive inhibitor)

v = V

(1 +

)(1 +

i

)

 （３）不拮抗阻害剤 (Uncompetitive inhibitor)

v = V

1 +

+

５. アポ酵素（不活性）+  共同因子 = ホロ酵素（活性）

共同因子：

 金属イオン

 補酵素：水溶性ビタミンからできる

６．アロステリック酵素 (Allosteric enzyme)

酵素ではないが、一番身近な例は、ヘモグロビンである。

生物有機化学

『酵素化学』編

1

タンパク質の分類

• ^{構造で分類}

✓ 単純タンパク質：アミノ酸だけからなる

✓ 複合タンパク質：アミノ酸＋α

• ^{機能で分類}

✓ 機能タンパク質：酵素、抗体、ホルモン等

✓ 構造タンパク質：コラーゲン、エラスチン

タンパク質の分類

• ^{構造で分類}

✓ 単純タンパク質：アミノ酸だけからなる

✓ 複合タンパク質：アミノ酸＋α

• ^{機能で分類}

✓ 機能タンパク質：酵素、抗体、ホルモン等

✓ 構造タンパク質：コラーゲン、エラスチン

3

酵素化学超短期講座

酵素研究の歴史

1713 René Antoine Ferchault de Réaumur 鷹の餌を引きずり出す 1783 Lazzaro Spallanzani 鷹の胃液を取り出す

1833 Anselme PayenとJean F. Persoz

ジアスターゼ発見 1836 Theodor Schwann ペプシン発見

1876 67  Wilhelm Kühne トリプシン発見⇨『Enzym』という名前登場 1894 『鍵とカギ穴説』発表

1926 Sumner ウレアーゼ結晶化⇨『酵素はタンパク質だ』

1980代頭  Thomas Robert Cech

Sidney Altman RNA酵素発見（ノーベル賞）

5

基礎用語

• 酵素(Enzyme)：タンパク質でできた生体触媒

✓  Enzym＝酵母の中（in yeast）

✓ 酵素＝酵母の中の何か（素）

• 基質(Substrate)：酵素が反応をしかける相手

• 生成物(Product)：酵素反応の製品

• 酵素基質複合体(ES complex) 

基礎用語 酵素反応を参考に

7

酵素(enzyme) 基質(substrate)

+

lysozyme

Chimeraを起動

9

酵素基質複合体(ES complex)

再生した酵素 生成物(product)

11

++

補酵素

活性部位

触媒部位 結合部位

酵素反応の特徴

• ^{基質特異性}

✓ 「鍵と鍵穴」説  (Hermann Emil Fischer)

- ^{酵素と基質は固い}

✓ 「誘導適合」説  (Daniel E. Koshland Jr.)

- 酵素も基質も柔軟である

13

酵素反応の特徴

• ^至適条件

✓ 至適pH

反応速度

pH 至適pH

アルカリ性（塩基 性）側に寄ったこと で、表面の+-の 数・位置が変化し、

反応に最適な構造が 崩れた。

酸性側に寄ったこ とで、表面の+-の 数・位置が変化 し、反応に最適な 構造が崩れた。

15

酵素反応の特徴

• ^至適条件

✓ 至適温度

反応速度

温度が上がった ことで、構造が 変化し、反応に 最適な構造が崩 れた。

温度が下がった ことで、酵素と 基質の衝突回数 が減った。

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反応速度論

• ^{活性化エネルギー}

• Michaelis-Menten曲線

✓ Michaelis-Mentenの式

- Vmax（最大反応速度）

- Km（ミカエリス定数）

反応速度論

19

最大反応速度（Vmax）

Km 基質濃度（[S]）

Michaelis定数

酵素反応速度（v）

Vmax / 2

v = V _max [S]

K _m + [S]

Maud Leonora Menten

Leonor Michaelis

アポ酵素とホロ酵素

• アポ酵素(不活性)＋共同因子＝ホロ酵素(活性)

✓ 共同因子：金属イオン、補酵素

✓ 補酵素＝水溶性ビタミンが変化したもの

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アポ酵素とビタミン

アポ酵素

水溶性ビタミン

ホロ酵素

基質

生成物

補酵素

＋

酵素の分類

触媒する反応の種類で分ける

• ^{酸化還元酵素}

• ^転移酵素

• ^{加水分解酵素}

• ^脱離酵素

• ^{異性化酵素}

• ^合成酵素

23

物質の酸化や還元反応を触媒する酵素群であり、

基質Aから水素または電子を奪い、他の基質Bに与 える。この酵素は一般的に補酵素を必要とする。

酸化還元酵素

転移酵素

いろいろな原子団の転移反応を触媒する酵素群であ り、基質A-Xから原子団Xを奪い、基質Bへ転移さ せる。この酵素も補酵素を必要とすることが多い。

25

加水分解酵素

タンパク質のペプチド結合や糖質のグリコシド結 合などを加水分解する酵素群で、消化酵素群はこ のグループに属する。

H OH H OH

脱離酵素

加水分解以外の方法で化学基の除去反応を触媒する。

27

異性化酵素

基質をその異性体に変える反応を触媒する。

合成酵素

ATPなどの高エネルギーリン酸化合物の分解エネ ルギーを利用して2つの分子を結合し、新たな物質 を合成する反応を触媒する。

ATP ADP Pi

29

• ^阻害様式

✓ 拮抗阻害

✓ 非拮抗阻害

✓ 不拮抗阻害

阻害剤 (inhibitor)

v = V _max [S]

K m (1 + _K ^{[I ]}

i ) + [S ] v = V _max

(1 + ^K _[S] ^m )(1 + _K ^[I]

i ) v = V _max

1 + _K ^{[I ]} + ^K _[S] ^m

拮抗阻害

(competitive inhibition)

反応進む

反応進まず

（やがて元に戻る*）

拮抗(競争)する

結合場所が塞がれてしまい、

結合できない。

(生成物) Ｅ

Ｓ

Ｉ

*元に戻らないタイプの阻害剤もある。

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非拮抗阻害

(noncompetitive inhibition)

*元に戻らないタイプの阻害剤もある。

Ｅ 反応進む

反応進まず

（やがて元に戻る*）

(生成物) Ｉ

Ｓ

結合場所が変形してしまい、

結合できない。

不拮抗阻害

(uncompetitive inhibition)

*元に戻らないタイプの阻害剤もある。

反応進む

反応進まず

（やがて元に戻る* ）

(生成物) Ｅ

Ｉ Ｓ

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アロステリック酵素

(allosteric enzyme)

全ユニットの親和性が 低い状態。

S

1個目の基質が結合する。

→構造変化が隣のユニットに伝わる。

→隣のユニットの親和性が高まる。

さらに情報が伝わっていく。

全ユニットの親和性が高い状態

シグモイド曲線

『酵素化学』編

終了

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