酵素ファミリー

酵素は、生きた細胞によって産生されるタンパク質またはRNAであり、その基質に対して高い特異性と高い触媒効率を持っています。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しています。酵素分子の変性やサブユニットの重合解除は、酵素活性の喪失を引き起こすことがあります。酵素は分子量が少なくとも10,000、大きいものでは100万にも達する生体高分子です。酵素は極めて重要な生体触媒の一種です。酵素の働きにより、生体内の化学反応は極めて穏やかな条件下で効率的かつ特異的に行われます。酵素分子の構造と機能、酵素反応の速度論に関する研究が進展・発展するにつれて、酵素学という学問分野が徐々に形成されてきました。酵素の化学的性質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、さらには四次構造を持ちます。その分子構成により、単純酵素と複合酵素に分類されます。タンパク質のみからなるものを単純酵素と呼び、酵素タンパク質と補因子からなるものを複合酵素と呼びます。例えば、多くの加水分解酵素はタンパク質のみで構成され、フラビンモノヌクレオチダーゼは酵素タンパク質と補因子から構成されます。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す。両者が結合して初めて全酵素となり、触媒活性を持ちます。

構造

酵素は通常、その基質よりもはるかに大きい分子です。4-オキサリルクロトネートタウトメラーゼのモノマーはわずか62アミノ酸残基からなり、動物の脂肪酸合成酵素では2,500残基を超えるものもあります。酵素構造のうち、触媒に直接関与する部分（約2～4アミノ酸）はごく一部であり、これを触媒部位と呼びます。触媒部位は、残基指向性基質の一つまたは複数の結合部位に隣接しています。触媒部位と結合部位が合わさって酵素の活性部位を構成します。残りの酵素構造の大部分は、活性部位の正確な配向や動態を維持するために使われます。酵素によっては、アミノ酸が直接触媒に関与しないものもあります。その代わり、酵素は触媒補因子を結合・標的化する部位を持ち、酵素の構造にはアロステリック部位が含まれることもあります。小分子の結合により、構造変化が生じ、活性が増減することがあります。リボザイムと呼ばれるRNAベースの生体触媒も少数存在し、単独またはタンパク質と組み合わせて機能します。最も一般的なのはリボソームで、これはタンパク質と触媒RNA成分の複合体です。

物理的および化学的性質

酵素の化学組成によって、酵素は単純酵素と複合酵素に分類されます。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ています。複合酵素分子は、ポリペプチド鎖からなるタンパク質部分に加え、金属イオン、鉄ポルフィリン、またはビタミンBを含む低分子有機化合物などの非タンパク質成分も持ちます。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ます。両者が結合して全酵素（ホロ酵素）を形成し、初めて触媒活性を持ちます。両者が分離すると酵素活性は失われます。鉄ポルフィリンやビタミンB含有化合物などの非タンパク質部分が酵素タンパク質と共有結合している場合、それらは補欠分子族と呼ばれます。これらは透析や限外ろ過では酵素タンパク質から分離できません。非共有結合で結合している補酵素は、上記の方法で分離可能です。補因子には主に2種類あります。1つは金属イオンで、しばしば補助基として電子の移動に使われます。もう1つは低分子有機化合物で、主に水素原子、電子、または特定の化学基の移動に使われます。

このセクションでは、酵素学における機能的活性や多くの薬剤が標的とする特性に基づいた、さまざまな酵素サブファミリーに関する短いレビューを紹介します。

参考文献