リアーゼの紹介

生理学において、リアーゼは、「脱離」反応によって加水分解や酸化以外のさまざまな化学結合の切断を触媒する酵素です。この反応はしばしば新しい環状構造や新しい二重結合の形成をもたらし、リアーゼの触媒下で「マイケル付加」と呼ばれる逆反応が起こることもあります。二重結合または新しい環を得るために、リアーゼは単一の基質に作用し、分子が脱離されます。リアーゼは他の酵素と異なり、反応の一方向には一つの基質だけが必要ですが、逆反応には二つの基質が不可欠です。リアーゼはクエン酸回路（クレブス回路）や解糖系の反応で一般的に観察されます。解糖系では、アルドラーゼがフルクトース1,6-ビスリン酸をグリセルアルデヒド3-リン酸とジヒドロキシアセトンリン酸に容易かつ可逆的に分解でき、これはリアーゼが炭素-炭素結合を切断する例です。リアーゼは補因子のリサイクルを必要とせず、理論上100%の絶対的な立体特異性を示し、エナンチオマー分割の生産率50%と比べてはるかに効率的です。そのため、光学活性化合物の合成を目的としたバイオ触媒としてのリアーゼの研究が盛んに行われており、すでにいくつかの大規模商業プロセスで応用されています。リアーゼは体系的には「基質グループ-リアーゼ」と命名され、デカルボキシラーゼ、デヒドラターゼ、アルドラーゼなどがあります。生成物がより重要な場合、フォスホスルフォラクテートシンターゼのようにシンターゼと表現されることもあります。

分類

酵素のEC番号分類において、EC 4はリアーゼを表し、さらに7つのサブクラスに分類されます。EC 4.1のリアーゼは炭素-炭素結合を切断し、デカルボキシラーゼ（EC 4.1.1）、アルデヒドリアーゼ（EC 4.1.2、アルドール縮合の逆反応を促進）、オキソ酸リアーゼ（EC 4.1.3、さまざまな3-ヒドロキシ酸の切断を触媒）、その他（EC 4.1.99）などが含まれます。EC 4.2には炭素-酸素結合を切断するリアーゼ群があり、デヒドラターゼなどがあります。炭素-酸素リアーゼの一部であるヒドロリアーゼは、水の脱離によってC-O結合の切断を促進します。他の炭素-酸素リアーゼはリン酸の脱離や多糖からアルコールの除去を促進します。炭素-窒素結合を切断するリアーゼはEC 4.3に分類されます。これらは強力な切断能力でアンモニアを放出し、同時に二重結合や環を形成します。これらの酵素の中にはアミンやアミド基の除去を助けるものもあります。EC 4.4は炭素-硫黄結合を切断するリアーゼで、反応から硫化水素（H₂S）を脱離または置換することができます。炭素-ハロゲン結合を切断する酵素はEC 4.5のリアーゼで、合成殺虫剤ジクロロジフェニルトリクロロエタン（DDT）から塩酸を除去する作用様式を利用します。EC 4.6はリン酸-酸素結合を切断するリアーゼで、アデニリルシクラーゼやグアニリルシクラーゼなどがあり、ヌクレオチド三リン酸から二リン酸を脱離します。EC 4.99はその他のリアーゼ群です。

基質特異性

基質特異性が狭いことは、関連化合物の生産における酵素の柔軟性を大きく制限するため、酵素の商業化にとって欠点とみなされることが多いです。リアーゼは一般的に、必ずしもそうとは限りませんが、基質特異性が狭いことが多いです。多くのヒドラターゼやアンモニアリアーゼは実際に非常に狭い基質特異性を持っていますが、アルドラーゼ、デカルボキシラーゼ、オキシニトリラーゼの基質特異性ははるかに広いです。特定のリアーゼの基質特異性はその由来によって異なることは注目に値します。しかし、商業利用のために酵素が無制限の基質特異性を持つことは絶対的な前提条件ではありません。実際、商業的に使用されているリアーゼの中には、かなり狭い基質スペクトルを持つものもあります。

補因子要件

酵素の商業的可能性は、高価な補因子の必要性によって大きく制限されることがあります。リアーゼが触媒する付加反応は単なる酸化や還元を含まないため、補因子は必須要件ではありません。しかし、これまでに同定されたほとんどのリアーゼは補因子を必要とし、これらは反応中間体の安定化、基質の分極化、基質結合、求核剤の一時的な結合などに関与しています。これらの補因子の大部分はそれほど高価ではなく、酵素に共有結合しています。したがって、リアーゼの補因子は商業化の障壁にはなりません。リアーゼの補因子要件は、その由来によって異なります。

リアーゼ欠損症

リアーゼ欠損症、またはHMG-CoAリアーゼ欠損症とも呼ばれるこの疾患は、アミノ酸ロイシンの代謝に混乱を引き起こし、体がエネルギー産生のために使用するケトン体を合成できなくなる、まれな遺伝性疾患です。この状態は常染色体劣性遺伝形式で遺伝する可能性があり、各細胞の両方の遺伝子コピーに変異が生じます。リアーゼ欠損症の症状は通常、生後1年以内に現れ、主に下痢、嘔吐、無気力、脱水、筋力発達の遅れなどが含まれます。リアーゼ欠損症の発作時には、血糖値が低血糖または極端に低くなり、有害な化合物が蓄積して血液が非常に酸性になります。治療しないと、昏睡、けいれん、呼吸障害、さらには死に至ることもあります。激しい運動、感染症、その他の身体的ストレスがリアーゼ欠損症の症状を引き起こすことがあります。

リアーゼ欠損症の緩和

リアーゼ欠損症の症状は、長時間食事を摂らないことで増幅されます。そのため、この疾患にかかった人は定期的な食事とバランスの良い栄養摂取が必要です。炭水化物が豊富でタンパク質と脂肪が少ない食品を摂取することで、低血糖を防ぐのに役立つ場合があります。L-カルニチンの摂取は、体が細胞エネルギーを産生するのを助け、無気力や脱水時に非常に有益です。

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