トップ化学II 改訂版5部 生命と物質>第2章 生命を維持する化学反応>第1節 化学反応と酵素の反応

1節 化学反応と酵素の反応

 

◆酵素

酵素は生体の細胞によってつくられるタンパク質,又はタンパク質を主体とする触媒作用を有する物質であり,種々の反応に特異的に作用する。タンパク質が変性する様な条件,高温,低pH又は高pHでは,活性を失う事が多い。それぞれの酵素には,その触媒作用に最も適した,いわゆる最適温度,最適pHがある。

酵素はタンパク質のみでできているものもあるが,熱に安定な低分子化合物と結合して酵素としての働きをもつものもある。この場合,タンパク質部分をアポ酵素,低分子化合物を補酵素といい,その結合したものをホロ酵素という。水溶性ビタミンは,この補酵素の成分となるものが多い。

 

酵素の最適(至適)pHの例

酵素

ペプシン

カタラーゼ

トリプシン

リボヌクレアーゼ

アルギナーゼ

pH

1.5

6.8

7.8

7.5

9.5

 

酵素の種類 マクマリー生物有機化学U生化学編 p.248

主な酵素の種類

触媒する反応

オキシドレダクターゼ

(酸化還元酵素)

オキシダーゼ(酸化酵素)

レダクターゼ(還元酵素)

デヒドロゲナーゼ

酸化還元反応

O2を基質に付加

基質の還元

水素2分子を除去して移住結合を形成

トランスフェラーゼ

トランスアミナーゼ

官能基の転移

基質間のアミノ基の転移

(転移酵素)

キナーゼ

基質間のリン酸期の転移

ヒドロラーゼ

(加水分解酵素)

リパーゼ

加水分解反応

脂質のエステル結合の加水分解

プロテアーゼ

タンパク質のペプチド結合の加水分解

ヌクレアーゼ

核酸のリン酸エステル結合の加水分解

イソメラーゼ

グルコース-6-リン酸

イソメラーゼ

基質の異性化

グルコースをフルクトースに異性化

(異性化酵素)

リアーゼ

(脱離,付加酵素)

デヒドラーゼ

デカルボキシラーゼ

シンターゼ

脱離による二重結合

の形成

二重結合への付加

基質からH2Oを取り除き二重結合に付加

カルボキシル基を水素に置換小分子を

二重結合に付加

リガーゼ

シンテターゼ

カルボキシラーゼ

結合の形成とATP

加水分解による

エネルギーの供給

2個の基質間に結合を形成

基質とCO2の間の結合を形成し

カルボキシル基(-COO-)を付加

 

酵素の反応

酵素はタンパク質であり,生体内の殆どの化学反応の触媒をしている。酵素反応の特徴は基質特異性穏和な反応条件(最適pH,最適温度)である。これらを理解する為,酵素の立体構造の研究と速度論的解析が行われている。

酵素の分類は3通り考えられる。@酵素の化学的性質(フラボタンパク質,ヘムタンパク質等),A基質の化学的性質(ヌクレオチド,炭水化物,タンパク質等),B酵素により触媒される反応,である。酵素についていろいろ調べると,1つの基質に対して多くの酵素が関わる事が知られているので,酵素や基質の化学的性質で分類するより,化学反応で分類する事が多い。

1.酸化還元反応・・・酸化還元酵素(オキシドレダクターゼ)

2.転移反応・・・・・転移酵素(トランスファラーゼ)

3.加水分解酵素・・・加水分解酵素(ヒドロラーゼ)

4.除去付加反応・・・除去付加酵素(リアーゼ)

5.異性化反応・・・・異性化酵素(イソメラーゼ)

6.合成反応・・・・・合成酵素(リガーゼ)

ATP等の二リン酸結合の開裂に共役して2つの分子を結合させる反応を触媒する酵素

 

◆酵素の触媒能力

酵素はタンパク質からなり,基質を取り込み反応する活性部位がある。酵素の触媒作用は,酵素に基質が取り込まれる所から始まる。酵素Eに基質Sが取り込まれると酵素基質複合体E-Sが形成され,酵素の活性部位で反応が起き酵素生成物複合体E-Pができ,最後に生成物Pが酵素から離れて反応が完結する。

酵素がない時の反応と酵素が関係する反応のエネルギー図は通常,下図の様に表される。この場合は酵素が関係する活性化状態を一まとめに扱っている。

しかし,酵素基質複合体,酵素生成物複合体を考えると酵素基質複合体の形成は,吸熱反応の場合と発熱反応の場合と両者可能である。幾つかの生化学の本でも記述が分かれている。

酵素反応の場合,反応の律速段階は酵素-基質複合体から酵素-生成物複合体が生じる所にある。aの様に酵素-基質複合体形成が吸熱反応で形成される場合,酵素反応全体の活性化エネルギーは,Q1としている。

一方,酵素-基質複合体形成が発熱反応である時,酵素-反応全体の活性化エネルギーをbのQ 1とする記述と,Q 3とする記述がある。酵素と基質が存在する状態から,活性化状態までのエネルギーと限定すると,aでもbでも,それはQ 1になるので,酵素反応全体の活性化エネルギーはQ 1として良いとも考えられる。

<参考文献>

図aで説明している文献

H.Lodish, A.Berk, S.L.Zipursky, P.Matsudaira, D.Baltimore, J.Darnell , 野田春彦 等訳

『分子細胞生物学()』第3

E.J.WoodC.A.SmithW.R.Pickering 林利彦 等訳『生命の化学と分子生物学』

図bでQ1を活性化エネルギーとしている文献

坂本順司 著『柔らかい頭のための生物化学』

図bでQ3を活性化エネルギーとしている文献

D.VoetJ.G.Voet 田宮信男 等訳『ヴォート 生化学()

酵素タンパク質の立体構造や活性部位での反応機構が詳しく研究されている酵素にキモトリプシンがある。キモトリプシンは,膵臓から分泌される消化液に含まれ,活性部位でセリンSerが作用するセリンプロテアーゼの1つである。その活性部位には疎水性ポケットがあり,芳香族側鎖が取り込まれる事により酵素基質複合体が形成される。キモトリプシンでは,活性部位でセリンの-OH基とヒスチジンのイミダゾール基が相互作用し,セリンが基質と共有結合をつくり,加水分解が進み,酵素生成物複合体がつくられた後,生成物が酵素の活性部位から離れて反応が完結する。

 

酵素反応の特徴

(1) 反応速度

過酸化水素の分解反応は,無触媒では酸素の発生を観察できない。酸化マンガン(IV),白金黒(白金コロイド)Fe3+等無機触媒を加えると,気泡の発生が観察される。肝臓等に含まれるカタラーゼも過酸化水素の分解を触媒し,反応速度は無機触媒の10万倍以上に加速している。これは,酵素の活性部位が精密に最適化された反応場となっている為と考えられている。

(2) 特異性

酵素は,同じ様な反応でも基質の微妙な違いを識別している。これは酵素の立体構造に由来しており,地球上の生物のアミノ酸がL型,糖がD型という事と関連している。この点を,1894年にドイツのフィッシャーが,鍵と鍵穴に例えて,鍵と鍵穴説を提唱した。現在ではこれに手を加えた誘導適合の考え方も提案されている。

同じセリンプロテアーゼでもトリプシンでは,活性部位にアスパラギン酸の-COO-があり,リジンLysやアルギニンArg-NH3+がクーロン力により相互作用し酵素基質複合体が形成される。また,エラスターゼは,活性部位にバリンValやトレオニオンThrがあり,グリシンGlyやアラニンAlaの様な側鎖がコンパクトなアミノ酸残基のC末端が選択的に加水分解される。

 

(3) 穏和な反応条件

酵素の活性が最高になる時の反応条件は,無機触媒とは異なっている。酵素はタンパク質からできており,高温,高pH,低pH等の厳しい反応条件ではタンパク質が変性する為,酵素反応は生体にとって穏和な条件で反応が進む。

化学反応では,一般に温度を上げていくと反応速度が増す。酵素反応でも,40℃位迄は速度が増していくが,その後は逆に反応速度が下がっていく。多くの酵素は6070℃で触媒としての機能を失う。これを失活という。又,反応速度が一番大きくなる温度を最適(至適)温度といい,通常40℃位である。

高温で酵素活性が消失するのは,タンパク質が変性し,活性部位の立体構造が変わり,基質が酵素に結合できなくなる為である。熱以外に反応液のpH変化(酸性または塩基性),有機溶媒(エタノール等)の添加によってもタンパク質の変性が起こるので,それらによっても酵素の失活が起こる。

 

補酵素Coenzyme

酵素反応には様々な反応があり,酵素タンパク質だけで反応が進み易いもの(酸・塩基反応,加水分解反応等)と,酵素だけでは進み難い反応(酸化・還元反応等)がある。酵素が苦手とする反応では,単原子イオンや低分子“補因子”が必要で,“化学の歯”と言われる事がある。

酵素には,金属イオンと結合して酵素活性を発揮するものがある。金属イオンは配位結合で酵素の活性部位に結合しており,金属イオンを補欠分子族と呼んでいる。これとは別に,酵素反応では,酵素タンパク質と共にタンパク質以外の低分子量の物質が必要な事がある。この様な低分子量の物質を補酵素という。

脱水素酵素は,基質から水素を奪う酵素である。脱水素酵素の反応には,補酵素(X)が必要である。Xは酵素と結合し,基質から水素原子を受け取る物質であり,水素原子と結合してXH2となる。XH2は別の反応で酸化されてXとなり,再び補酵素として作用する事ができる。

必要な補因子を体内で合成できない動物は,食物として外部から吸収しなければならない。ビタミンの多くはその様な役割を担っている。

 

ビタミン

昔から柑橘類を摂取すると壊血病が直る事が知られており,食物より取り入れなければならない微量有機化合物をビタミンと呼んだ。ビタミンは水溶性と脂溶性の2つに大別できる。

水溶性ビタミン

 

ビタミン

含有食品

標準摂取量

(1日容量)

欠乏による影響

過剰摂取による影響

 

チアミン(B1)

脱炭酸反応の補酵素の構成成分

牛乳,肉,パン,豆類

1.5mg

筋力低下,心疾患を含む心血管障害,脚気を惹起する

血圧低下

 

リボフラビン(B2)

FMNFAD等の補酵素の構成成分

牛乳,肉

1.7mg

皮膚損傷,粘膜損傷

掻痒,耳鳴りの感覚

 

ナイアシン(ニコチン酸,ニコチン酸アミド,B3)

補酵素NAF+の構成成分

肉,パン,ジャガイモ

2.0mg

神経系症状,消化器症状,皮膚損傷,粘膜損傷,ペラグラを起す

掻痒,灼熱感,血管拡張大量摂取後には死亡する危険あり

 

B6
(ピリドキシン)

アミノ酸と脂質代謝の補酵素の構成成分

肉,豆類

2.0mg

発育遅滞,貧血,痙攣,上皮変性

中枢神経障害,致命傷に至る危険性あり

 

アミノ酸と核酸代謝の補酵素の構成成分

野菜,穀類,パン

0.4mg

発育遅滞,貧血,消化器障害,神経管欠損

大量投与時における症状以外は不明

 

B12(コバラミン)

核酸代謝の補酵素の構成成分

牛乳,肉

悪性貧血

赤血球過剰

 

ビオチン

カルボキシル化反応の補酵素の構成成分

卵,肉,野菜

0.3mg

疲労感,筋肉痛,悪心,皮膚炎

報告されていない

 

パントテン酸(B5)

補酵素Aの構成成分

牛乳,肉

10mg

発育遅滞,中枢神経障害

報告されていない

 

C

(アスパラギン酸)

補酵素;水素化物イオンを輸送;抗酸化剤

柑橘類,ブロッコリー,緑色野菜

60mg

上皮損傷,粘膜損傷,壊血病を引き起こす

胃結石

 

マクマリー生物有機化学 p.265

 

脂溶性ビタミン

脂溶性ビタミンは,生物体の脂肪組織に貯蔵されている。分子レベルの反応機構ははっきりしていない部分が多い。

脂溶性ビタミン

ビタミン

含有食品

標準摂取量
(
1日容量)

欠乏による

影響

過剰摂取による影響

A

上皮の維持,視覚色素の合成に必要;抗酸化剤

葉物を含む緑黄色野菜

1000μg

発育遅滞,

夜盲症,

上皮損傷

肝障害,皮膚剥離,中枢神経系作用(悪心,食欲不振)

D

正常な骨成長に必要,腸管におけるCa2+及びスズの吸収に必要,腎臓における貯留に必要

皮膚が太陽光線と接触する事によって合成される

10μg

くる病,骨格損傷

多数の組織内におけるCa2+の蓄積,機能障害

E

ビタミンA及び脂肪酸の分解抑制;抗酸化剤

肉,牛乳,野菜

10mg

貧血,その他の障害が発生する疑いあり

報告されていない

K

プロトロビン及びその他の血液凝固因子の合成に必要

野菜,腸内細菌による生産

80μg

出血性障害

肝機能障害,黄疸

 

酵素反応の速度論

酵素活性の評価は反応速度の測定で行われる。酵素の触媒作用では,酵素基質複合体ESの形成後,触媒作用が働き酵素生成物複合体EPに変わり,EPから生成物Pが放出される。

生成物Pの放出が速ければ次の様に簡単に考える事ができる。

生成物ができる時の初速度をvとすると,vは次の様になる。

 (1)

ESの生成とPの放出速度が等しい定常状態の時,次の等式が成り立つ。

[E]について書き換えると次の様になる。

酵素の総量をEtotalとすると,次の様になる。

[Etotal][E] [ES]      (5)

(5)を式(4)に代入し,[Etotal]でまとめると次の様になる。

(7)についてKm を次の様に定義して,式(7)をまとめる。

(9)を式(1)に代入すると,反応速度は次の様になる。

基質が過剰にある時,酵素の活性部位には基質が全て結合しており,生成物が生じる反応速度は最大Vmaxとなっている。従って次の様になる。

Vmax kcat[Etotal]

これを式(11)に代入するとミカエリス-メンテン(Michaelis-Menten)得られる。

ここでKmミカエリス定数という。更に式(12)の逆数をとると次の様になる。

(13)に従って1/v1/[S]をプロットすると,直線関係のグラフが得られる。これをラインウィーバー-バークプロットという。vは初速度,[S]は基質の初濃度であり,これらをプロットする事でVmaxKmは実験的に求められる。そしてVmaxからはkcatが求められる。

殆どの酵素反応では,ESからEPが生じる所が最も遅い反応(律速段階)であり,次の様になる。

よってミカエリス定数Kmは酵素基質複合体の解離平衡定数(平衡定数の逆数)に相当し,酵素と基質の親和性に関係している。酵素との親和性の大きい基質Aと親和性の小さいBに対する酵素の反応速度Vmaxは,Aに対してもBに対しても同じだが,Kmの値はAに対するものよりBに対するものの方が大きい。

[S]の単位はmmol/Lmmol/L  等で,vの単位は,酵素タンパク質1 mg,反応時間1分あたり生成物が何mmolできたか,という単位であり,mmol/(mgmin)で表し,mmol/min  unitと定義する事がある。

の表し方として,ターンオーバー数(turnover number)がよく用いられる。これは,酵素1分子が1秒間あたり生成物何個をつくるかという数値で,単位は1/sである。

生成物の物質量÷酵素の物質量÷時間

(30×10-6mol)÷(1×10-6×10×10-3mol)÷(300s)10s-1

この値が,酵素1分子の1秒間当たりの代謝回転分子数という事になる。例えば,酵素濃度1×10-6mol/L10cm3の反応液で,5分間に30×10-6molの生成物が生じた時,酵素1つで1秒間に生成物10個を生じる事になる。

 

酵素の触媒能-tournover number

酵素

1秒間当たりの代謝回転分子数

カルボニックアンヒドラーゼ

1,000,000

 

カタラーゼ

90,000

 

アセチルコリンエステラーゼ

25,000

 

乳酸デヒドロゲナーゼ

1,000

 

キモトリプシン

100

 

リゾチーム

1

 

 

酵素反応の阻害

酵素の反応において,多くの物質が酵素の反応を妨害している事が知られている。この様な物質を阻害剤といい,医薬品等に応用されている。

基質と阻害剤が競合して酵素活性部位に結合すると酵素の活性は悪くなる。この様な阻害を拮抗阻害という。

基質に似た物質による酵素反応の阻害

エチレングリコールを誤飲すると体内でシュウ酸が生じて死に至る。この時,シュウ酸への変化の初期段階はアルコールデヒドロゲナーゼで触媒される。この時,大量のエタノールを与えると,エタノールはアルコールデヒドロゲナーゼの活性部位に競合して結合する。そしてエタノールの方がエチレングリコールより強く結合し,エチレングリコールと酵素の結合が阻害され,エチレングリコールは暫くして腎臓から排泄される。エチレングリコールの誤飲は日本では殆ど起こらないが,アメリカで,自動車のラジエターが壊れてエチレングリコールを含んだ冷却液が漏れ,それを犬が飲んで問題になった事がある。

酵素の活性部位以外に阻害剤が結合して酵素の立体構造が変わり,酵素活性が悪くなる場合がある。これは,非拮抗阻害である。阻害剤と酵素の結合が,非共有結合であれば可逆的な阻害となり,阻害剤と酵素が共有結合すると不可逆的な阻害となる。

阻害剤が存在する中で,酵素の反応の反応速度を調べ,ラインウィーバー・バークプロットをとると,阻害剤の働き方が予想できる。阻害剤を加えて,[S]に対してvを測定した時のグラフは次の様になる。

以前話題となったサリンは,神経伝達物質であるアセチルコリンを分解するアセチルコリンエステラーゼの活性部位に共有結合で結合し,アセチルコリンの分解を不可逆的に阻害する。アセチルコリンが分解されずに残ると筋肉の興奮状態が続き,呼吸に必要な筋肉の弛緩が起こらず死に至る。こうしてサリンが毒ガスとして作用する。

マラチオンやパラチオン等多くの殺虫剤は,有機リン系の化合物でサリン同様にアセチルコリンエステラーゼの阻害剤である。これらに対しては,ヒトより虫の方が感受性が高い為ヒトの傍で用いる事ができると考えられている。殺虫剤の方が複雑な化合物である為,有機リン系化合物の製造工場が,サリン等の神経ガスの製造に転用されると考えられている。

2008年1月に中国製冷凍餃子の農薬の検出が話題となったが,混入していたメタミドホス,ジクロルボスは有機リン系農薬である。新聞報道に依れば,メタミドホスによる中毒症状は,サリンの時と同じだった。恐らく診察した医者はその事が記憶にあった様だが,保健所関係者はサリンを思い出さなかったのだろう。ジクロルボスは分解が速いので通常は検出され難いが,冷凍状態だった為に分解が遅かったのではないかと想像される。

(参考資料)

*1 田宮信雄等訳,ヴォート生化学()第3版(東京化学同人)p.395(2005)

*2E.J.Wood他,「生命の化学と分子生物学化学」p.88,89,92

 

 








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