酵素ファミリー

酵素とは、生体細胞によって産生されるタンパク質またはRNAであり、基質に対して高い特異性と高い触媒効率を示す。酵素の触媒作用は、酵素分子の一次構造および立体構造の完全性に依存する。酵素分子の変性またはサブユニットの解重合は、酵素活性の消失を招き得る。酵素は分子量が少なくとも10,000の生体高分子であり、大きいものでは100万に達する。酵素は極めて重要な生体触媒の一群である。酵素の作用により、生体内の化学反応は、極めて温和な条件下で効率的かつ特異的に進行し得る。酵素分子の構造と機能、ならびに酵素反応速度論に関する研究の深化・発展に伴い、酵素学（enzymology）という学問分野が徐々に形成されてきた。酵素の化学的本体はタンパク質またはRNA（リボ核酸）であるため、一次構造、二次構造、三次構造、さらには四次構造も有する。分子組成により、単純酵素と複合酵素に分類される。タンパク質成分のみからなるものを単純酵素といい、複合酵素は酵素タンパク質と補因子から構成される。例えば、多くの加水分解酵素はタンパク質のみからなり、フラビンモノヌクレオチド関連酵素は酵素タンパク質と補因子から構成される。複合酵素における酵素タンパク質はタンパク質部分、補因子は非タンパク質部分である。両者が結合して完全酵素を形成したときにのみ、触媒活性を示す。

構造

酵素は通常、基質よりもはるかに大きい。4-オキサリルクロトン酸タウトメラーゼの単量体は、わずか62アミノ酸残基から、動物の脂肪酸合成酵素では2,500残基を超えるものまで、サイズの幅がある。構造のうち触媒に直接関与するのはごく一部（約2～4アミノ酸）であり、これを触媒部位という。触媒部位は、残基指向性の基質に対する1つ以上の結合部位に隣接している。触媒部位と結合部位を合わせて、酵素の活性部位を構成する。酵素構造の大部分は、活性部位の精密な配向および動態を維持するために用いられる。一部の酵素では、触媒に直接関与するアミノ酸が存在しない場合もある。その代わり、触媒補因子を結合・標的化する部位を有し、また酵素構造にはアロステリック部位が含まれることもある。低分子の結合により、酵素のコンフォメーション変化が誘起され、活性が増強または低下し得る。RNAを基盤とする生体触媒としてリボザイムが知られており、単独で機能する場合も、タンパク質と複合体を形成して機能する場合もある。最も一般的な例はリボソームであり、タンパク質と触媒活性を有するRNA成分からなる複合体である。

物理化学的性質

酵素は化学組成により、単純酵素と複合酵素に分類される。単純酵素分子は、アミノ酸残基のみからなるペプチド鎖で構成される。複合酵素分子は、ポリペプチド鎖からなるタンパク質に加えて、金属イオン、鉄ポルフィリン、またはビタミンB群を含む低分子有機化合物などの非タンパク質成分を有する。複合酵素のタンパク質部分は酵素タンパク質（アポ酵素）と呼ばれ、非タンパク質部分は総称して補因子と呼ばれる。両者が結合して完全酵素（ホロ酵素）を形成し、完全酵素のみが触媒活性を示す。両者が分離すると、酵素活性は消失する。鉄ポルフィリンやビタミンB群含有化合物などの非タンパク質部分が酵素タンパク質に共有結合している場合、補欠分子族（prosthetic group）と呼ばれる。これらは透析や限外ろ過によって酵素タンパク質から分離できない。非共有結合で結合する補酵素（coenzyme）は、上記の方法により分離可能である。補因子には主に2種類がある。1つは金属イオンで、しばしば補助基として機能し、電子移動に関与する。もう1つは低分子有機化合物で、主として水素原子、電子、または特定の化学基の移動に関与する。

本セクションでは、酵素学における機能活性、または多くの医薬品が標的とする特性に基づき、各種酵素サブファミリーに関する短いレビューを順次掲載する。

参考文献

1. Porter KR.; et al. A study of tissue culture cells by electron microscopy: methods and preliminary observations. The Journal of Experimental Medicine. 1945, 81 (3): 233-46.