酵素は
どのようにして触媒反応を行っているのでしょう？
実はその詳細はいまだ明らかにされていませんが
以下に示す機序が考えられています
＜酵素は活性化エネルギーを下げ 反応を容易にする＞
一般に化学反応は
下記のようなプロセスを経て進行します
＠活性化エネルギー
＊反応物質に化学反応が起こるには
エネルギーの高い山を超える必要があります
＊反応物質が
この山を超えられるだけのエネルギーを有していないと
化学反応は完遂できません
＊山を超えるのに必要なエネルギーを
「活性化エネルギー」と呼びます
＠活性化状態
＊化学反応が起こると
反応物質のなかで
原子の組み換えが連続的に起こります
＊活性化エネルギーが最大になると
化学反応が最盛期になります
＊このエネルギーの山で活発に反応が起きている状態が
「活性化状態」です
＠反応熱
＊反応が生じると多量の熱が放出され
最終的に反応物質よりエネルギー状態が低い
生成物質が出来ます
＊放出された熱・エネルギーは「反応熱」と呼ばれます
＊反応熱により
反応物質の分子が加熱され活性化されるので
それ以降も反応が
連鎖的かつ爆発的に進んでいくことができます
では 酵素が加わると
化学反応はどのように変化するのでしょう？
＠酵素の働きにより 活性化エネルギーを抑えられる
＊酵素の触媒作用により
活性化エネルギーを低くすることができるので
化学反応が迅速に進行すると考えられています
＊しかし
活性化エネルギーを低くする詳細な機序はわかっていません
＜酵素と基質が結合する機序＞
＠鍵と鍵穴
＊基質の形状と 酵素の基質結合部位の形状が
3次元構造的に「鍵と鍵穴（立体構造上のくぼみ）」
の関係にあり
酵素の基質結合部位に存在するくぼみ（鍵穴）に
うまく結合できる構造の基質（鍵）だけを
酵素の作用が発揮される活性中心へ導くことで
酵素作用が発現される
と考えられています
＊基質と酵素の活性中心は
水素結合 イオン結合といった反応により結合します
＜酵素と基質の結合により起きる立体的な変化＞
＠エントロピー・トラップ
＊酵素の機能部位である活性中心では
基質が酵素に結合する部位（結合部位）と
酵素が触媒作用を発揮する部位（触媒部位）は
別々に存在します
＊基質は結合部位に結合すると自由が奪われ
活性中心の触媒部位に正面から向かわされます
＊この作用により 反応全体のエントロピーが減少し
活性化エネルギーを下げることができます
＠基質を触媒部位に適切に向かわせることで
基質の有効濃度を高める効果もあります
＠誘導適合
＊基質の結合により 酵素の立体構造が変化し
触媒部位が適切な位置に配置され
結合した基質とうまく向いあえるので
反応が起こりやすくなります
＠基質分子の立体構造をひずませる
＊結合により
基質分子が圧迫されたりねじられたりして
切れやすくなるため
触媒反応が起こりやすくなります
こうしたさまざまな構造上の立体的変化により
酵素の触媒作用が円滑に効率的に進行すると
考えられています
一方 酵素反応は
過剰に行われないように調節されています
＜酵素反応の調節機構＞
＠フィードバック制御
＊代謝反応で生じた生産物が過剰になると
その代謝反応を触媒している酵素の活性に
フィードバック阻害がかかるので
過剰な生産は制御されます
＊反応の最終産物の代謝生産物が酵素の阻害剤となり
フィードバックをかけることがよくあります
＠アロステリック制御
＊フィードバック調節のひとつで
酵素機能が他の化合物（エフェクター）によって
調節されることです
＊エフェクターは
酵素が関わる代謝の生産物のこともあり
代謝反応とは全く関係ない物質のこともあります
＊エフェクターは 酵素の基質とは構造が大きく異なり
酵素の基質結合部位とは異なる
調節部位（アロステリック部位）に結合すると
考えられています
＊この結合により 酵素の立体構造が変化し
基質結合部位の構造も変化すると
酵素の触媒活性や複合体形成反応が
正または負に制御されます
＊酵素の活性を
促進するエフェクターは
アロステリック・アクティベーター
抑制するエフェクターは
アロステリック・インヒビター
と呼ばれます
＊アロステリック制御を受ける酵素の多くは
複数のサブユニットの会合体の構造をしていて
活性中心とアロステリック部位が
別々のサブユニットに存在していることもあります
酵素そのものも さまざまな機序により
活性化されたり失活したりします
＜酵素の活性化＞
＠酵素の前駆体の切断
不活性な前駆タンパク質としてつくられ
ペプチド鎖の一部が切られて
活性型酵素に変化するものがあります
＊ペプシノーゲン → ペプシン
＊トリプシノーゲン → トリプシン
＊キモトリプシノーゲン → キモトリプシン
＊プロエラスターゼ → エラスターゼ
＊プロトロンビン → トロンビン
など
＠リン酸化 脱リン酸化
＊酵素のタンパク質構造に
セリン トレオニン チロシン残基がある場合
そのOH基はリン酸化されることがあります
＊リン酸化により酵素が活性化することがあり
その場合は脱リン酸化が起こると酵素活性は失われます
＊逆にリン酸化により
酵素が不活化されることもあります
＊リン酸化・脱リン酸化は
生体内で幅広く行われている重要な反応なのです
＠こうした
ペプチド鎖の切断 リン酸化・脱リン酸化といった
酵素活性の制御も
全て酵素反応により行われます
＜酵素活性の失活＞
＠立体構造の変化
酵素が活性を失う原因には
その立体構造の変化が深く関与しています
＠原因
＊失活の原因として
熱 pH 塩濃度 溶媒 他の酵素による作用
などが知られています
＊これらの条件が大きく変わると
酵素の立体構造が不可逆的に変わり
酵素は失活してしまうのです
今日のお話は
基礎的な内容で難しかったかもしれませんが
＊なぜ酵素の触媒作用により
化学反応がスムーズに進むか
＊酵素反応は制御されている
＊酵素活性も制御されている
といったイメージを
少しでも持っていただけたら幸いです
このあたりは
医学生の頃に生化学で 必死に でも面白く勉強したので
とても懐かしいです
アロステリック制御のことを知って興奮したのを
思い出しました（笑）
