リアーゼの概要

生理学において、リアーゼは、加水分解および酸化以外の「脱離（elimination）」反応により、さまざまな化学結合の開裂を触媒する酵素である。この反応はしばしば新たな環状構造または新たな二重結合の形成をもたらし、リアーゼの触媒作用下で「マイケル付加（Michael addition）」と呼ばれる逆反応が起こり得る。二重結合または新規環構造を得るために、リアーゼは単一基質に作用して分子を脱離させる。リアーゼは、正方向の反応では基質が1種類で足りる一方、逆反応には2種類の基質が必要である点で他の酵素と異なる。リアーゼはクエン酸回路（クレブス回路）および解糖系の反応で一般的に認められる。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-リン酸およびジヒドロキシアセトンリン酸へ容易かつ可逆的に分解し、これは炭素—炭素結合を開裂するリアーゼ反応の一例である。リアーゼは補因子のリサイクルを必須とせず、理論収率100%の絶対的な立体特異性を示し、生産率が50%にとどまるエナンチオマー分割法と比較してはるかに高効率である。そのため、光学活性化合物の合成に用いる生体触媒としてのリアーゼ探索に多くの研究が注力されており、すでに一部の大規模商業プロセスでの応用も報告されている。リアーゼは体系的には「基質群-リアーゼ（substrate group-lyase）」として命名され、脱炭酸酵素、脱水酵素、アルドラーゼ等が含まれる。生成物がより重要視される場合には、ホスホスルホ乳酸シンターゼのように名称に「シンターゼ（synthase）」が用いられることもある。

分類

酵素のEC番号分類では、EC 4がリアーゼを表し、さらに7つのサブクラスに分類される。EC 4.1のリアーゼは炭素—炭素結合を開裂し、脱炭酸酵素（EC 4.1.1）、アルドール縮合の逆反応を促進するアルデヒドリアーゼ（EC 4.1.2）、多くの3-ヒドロキシ酸の開裂を触媒するオキソ酸リアーゼ（EC 4.1.3）、その他（EC 4.1.99）を含む。EC 4.2には、脱水酵素など炭素—酸素結合を開裂するリアーゼ群が含まれる。炭素—酸素リアーゼの一部であるヒドロリアーゼは、水の脱離によりC–O結合の開裂を促進する。その他の炭素—酸素リアーゼは、リン酸の脱離や、多糖からのアルコール基の除去を促進する。炭素—窒素結合を開裂するリアーゼはEC 4.3に分類され、強い開裂能によりアンモニアを遊離しつつ、同時に二重結合または環を形成し得る。これらの酵素の一部は、アミン基またはアミド基の脱離も促進する。EC 4.4は炭素—硫黄結合を開裂するリアーゼであり、反応から硫化水素（H₂S）を脱離または置換し得る。炭素—ハロゲン結合を開裂する酵素はEC 4.5のリアーゼで、合成農薬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する。EC 4.6はアデニリルシクラーゼやグアニリルシクラーゼのようにリン—酸素結合を開裂するリアーゼからなり、ヌクレオチド三リン酸から二リン酸を脱離させる。EC 4.99はその他のリアーゼ群である。

基質特異性

基質特異性が狭いことは、関連化合物の製造における酵素の適用柔軟性を大きく制限するため、酵素の商業化における欠点とみなされることが多い。リアーゼは一般に（ただし常にではないが）基質特異性が狭い傾向がある。多くのヒドラターゼおよびアンモニアリアーゼは実際に非常に狭い基質特異性を有する一方、アルドラーゼ、脱炭酸酵素、オキシニトリラーゼの基質特異性はより広い。なお、特定のリアーゼの基質特異性は由来（起源）により変動する点に留意すべきである。しかし、商業的利用において、酵素が無制限の基質特異性を有することは絶対条件ではない。実際、商業的に使用されているリアーゼの中には、比較的狭い基質スペクトルを有するものも複数存在する。

補因子要件

高価な補因子を必要とすることは、酵素の商業的ポテンシャルを著しく制限し得る。リアーゼが触媒する付加反応は単純な酸化還元を伴わないため、補因子は必須要件ではない。しかし現時点で同定されているリアーゼの多く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、基質結合、求核剤の一時的結合などに関与する。これら補因子の大半は非常に高価というわけではなく、酵素に共有結合している。したがって、リアーゼの補因子要件は商業化の障壁とはなりにくい。リアーゼの補因子要件は、その由来により多様である。

リアーゼ欠損症

リアーゼ欠損症（HMG-CoAリアーゼ欠損症とも呼ばれる）は、アミノ酸ロイシンの代謝に異常を来し、体内で食物が不足する状況下におけるエネルギー産生に用いられるケトン体の合成を妨げる、まれな遺伝性疾患である。本疾患は常染色体劣性遺伝形式で遺伝し得る。すなわち、各細胞に存在する当該遺伝子の両アレルに変異が生じている。症状は通常、生後1年以内に発現し、主として下痢、嘔吐、嗜眠、脱水、筋発達不良などを含む。発作時には血糖値が低血糖、あるいは極端に低値となり、有害化合物が蓄積して血液が強い酸性に傾くことがある。未治療の場合、昏睡、けいれん、呼吸障害、さらには死亡に至る可能性がある。激しい運動、感染症、その他の身体的ストレスが、リアーゼ欠損症状の発作を誘発し得る。

リアーゼ欠損症の症状緩和

リアーゼ欠損症の症状は、長時間の絶食後に増悪する。したがって、本疾患の患者には、規則的な摂食と良好な栄養バランスの確保が必要である。炭水化物に富み、タンパク質および脂質が少ない食事の摂取は、低血糖の予防に有益である可能性がある。L-カルニチンの使用は、細胞内エネルギー産生を助け得るため、嗜眠や脱水がみられる際に特に有用となり得る。

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