高分子の分解

マクロ分子の分解

動物の消化器系では、酵素は生体マクロ分子栄養素を同化する上で常に重要な役割を果たします。大きな分子は酵素によって小さな断片に分解され、これらは人間の体に容易に吸収されます。多くの栄養成分は、砂糖、タンパク質、脂肪などの大きな分子の形で存在し、人間の体によって容易に取り込まれることはありません。したがって、これらの成分は腸による吸収の前に酵素によって小さな部分に分解される必要があり、このプロセスは異化と呼ばれます。吸収後、これらの小さな分子は組織の修復、再生、成長を通じて体をリフレッシュするための構成要素として使用され、このプロセスは同化と呼ばれます。異なる食品物質は異なる酵素によって消化されることができます。

異化と同化に必要な酵素は主に4種類あり、アミラーゼやプロテアーゼなどがあり、それぞれでデンプンやタンパク質を分解します。草食性の食事を利用する反芻動物では、腸内の微生物がセルラーゼを生成し、植物繊維のセルロース細胞壁を分解します。リパーゼはエステラーゼのサブクラスとして、食事中の脂質の消化において重要な役割を果たします。

アミラーゼ

人間や他のいくつかの哺乳類の唾液に存在するアミラーゼは、デンプンを糖に加水分解して化学的消化プロセスを開始します。米やジャガイモのようにデンプンが豊富で糖が少ない食品は、アミラーゼがデンプンの一部を糖に分解するため、噛むとわずかに甘く感じることがあります。膵臓や唾液腺は、アミラーゼを駆使して食事中のデンプンを二糖類や三糖類に加水分解し、これらはさらにグルコースに変換されて体にエネルギーを供給します。アミラーゼは植物や一部の細菌によっても生成されます。すべてのアミラーゼはグリコシド加水分解酵素に属し、α-1,4-グリコシド結合に作用します。

アミラーゼは、ビールや酒を醸造するためにデンプンを含む材料の発酵において重要であり、発酵の初めに存在する糖を生成します。アミラーゼの活性は異なる温度によって最適化され、発酵可能な糖と発酵不可能な糖のさまざまな混合物を生じます。パン製造業では、アミラーゼが複雑な糖を単純な糖に分解し、これが酵母によってアルコールとCO₂の廃棄物に変換され、風味を与え、パンに膨らみをもたらします。現代のパン製造技術では、アミラーゼを麦芽大麦の形でパン改良剤に組み込むことで、方法がより効率的で商業的に実用的になっています。アミラーゼは商業的にパッケージされた小麦粉の成分として登録されており、アミラーゼが豊富な小麦粉に常にさらされているパン職人は、皮膚炎や職業性喘息を発症するリスクが高くなります。バチルスアミラーゼは、布地や食器からデンプンを溶解する目的で衣類や食器洗い用洗剤に追加されます。

セルラーゼ

セルラーゼは主に真菌、細菌、原生動物によって生成され、セルロースや関連する多糖類を単糖、短い多糖類またはオリゴ糖に分解します。このプロセスはセルロース分解と呼ばれます。セルラーゼは、セルロース材料を連続的または相乗的に分解するさまざまな酵素の自然に存在する混合物や複合体を表すこともあります。セルロースの分解は経済的に重要であり、植物の主要成分を提供し、消費や化学反応における応用の価値を約束します。セルロース、ヘミセルロース、リケニン、穀物β-D-グルカンにおける1,4-β-D-グリコシド結合の切断は、この加水分解に関与しており、他の多糖類の分解に比べて比較的困難です。ほとんどの哺乳類はセルラーゼが不足しているため、食物繊維を自分で消化する能力が非常に限られています。多くの草食動物や後腸発酵動物の共生細菌はセルラーゼを生成し、シロアリやカタツムリなどのいくつかの動物からも得られます。

セルラーゼは、豆の乾燥中にセルロースを加水分解することでコーヒーの商業的食品加工に利用されています。さらに、セルラーゼは繊維産業、洗剤、製紙産業などさまざまな目的で使用されています。医薬品の応用にも関与しており、ヒトの胃に見られるセルロースの塊であるフィトベゾアの治療に使用されます。セルラーゼはバイオマスをバイオ燃料に発酵させるプロセスに関与しており、現在は相対的に実験段階にあります。また、細胞外高分子物質のマトリックスエキソポリサッカライド内のβ(1-4)グリコシド結合を切断することで、多微生物バイオフィルムを破壊するのにも効果的です。

プロテアーゼ

プロテアーゼは、原核生物から真核生物、ウイルスに至るまで、すべての生物に広く存在し、ペプチド結合を加水分解することによってタンパク質の異化を行います。異なる種類のプロテアーゼは、全く異なる触媒メカニズムを介して同じ反応を行うことができ、食品タンパク質の単純な消化から高度に調整されたカスケードに至るまで、豊富な生理的反応に関与しています。プロテオリシスは非常に多様なプロセスであり、広範な基質が加水分解される可能性があります。これは、摂取されたさまざまなタンパク質を小さなペプチド断片に切断する能力を持つ消化酵素トリプシンに当てはまります。しかし、多様なプロテアーゼは基質上の特定のアミノ酸に結合することによって残基に特異性を持ちます。厳密な選択性を持つ一部のプロテアーゼは、特定の配列を持つ基質のみを分解し、正確な切断イベントを達成するために血液凝固やウイルスポリプロテイン処理において重要です。プロテアーゼの活性は、タンパク質の機能を廃止したり、対応する主要成分に消化したりすることによって破壊的な変化をもたらすことがあり、機能の活性化やシグナル伝達経路におけるシグナルとなることもあります。プロテアーゼは自身がタンパク質であるため、他のプロテアーゼ、時には同じ種類のプロテアーゼによって切断されることがあり、これはプロテアーゼ活性を調節する手法として機能します。

リパーゼ

リパーゼは脂肪や脂質の加水分解を触媒し、ほとんどの生物において食事中の脂質の消化、輸送、処理に不可欠な役割を果たします。ほとんどのリパーゼは脂質基質のグリセロール骨格上に特定の作用部位を持っています。たとえば、人間の膵臓リパーゼは、人間の消化器系で食事中の脂肪を分解する主要な酵素であり、摂取した油のトリグリセリド基質をモノグリセリドと2つの脂肪酸に変換します。感染時には、病原体によってリパーゼが発現し、分泌されます。特に、広範なリポリティック活性を示す可能性のあるさまざまなリパーゼがCandida albicansに見られ、人間の組織におけるC. albicansの持続性と病原性に寄与します。

リパーゼは、ヨーグルトやチーズの発酵のような古代の人間の実践に長い間利用されており、また、焼き菓子、洗剤、さらには植物油を燃料に変換する革新的なエネルギー戦略におけるバイオ触媒として、脂質を分解するための安価で多用途な触媒としても利用されています。高活性のリパーゼは、高エネルギー密度、環境利益、安全性を持つバイオディーゼルの処理において従来の触媒の代替として使用されることがあります。特に、胃の主細胞から分泌される胃リパーゼは、膵機能障害に関連する膵リパーゼの生成の減少を部分的に補い、体が脂質を消化するための追加の手段を提供します。