高分子分解

Macromolecules Degradation

動物の消化系において、酵素は生体高分子栄養素の同化において常に主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、それによって人間の体に容易に吸収されます。多くの栄養成分は、糖、タンパク質、脂肪などの大きな分子の形で存在し、人間の体では容易に取り込むことができません。そのため、これらの成分は腸による吸収の前に酵素によってより小さな断片に分解される必要があり、この過程は異化作用（カタボリズム）と呼ばれます。吸収後、これらの小分子は組織の修復、再生、成長を通じて体を新しくするための構成要素として利用され、この過程は同化作用（アナボリズム）と呼ばれます。異なる食品成分は異なる酵素によって消化されます。

異化作用および同化作用には主に4種類の酵素が必要とされ、例えばアミラーゼやプロテアーゼはそれぞれ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産生し、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、食事性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

ヒトや一部の哺乳類の唾液に含まれるアミラーゼは、デンプンの加水分解を触媒して糖に変え、化学的消化プロセスを開始します。デンプンが豊富で糖分が少ない食品（米やジャガイモなど）は、噛むとアミラーゼが一部のデンプンを糖に分解するため、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分泌し、食事中のデンプンを二糖類や三糖類に加水分解し、さらにグルコースに変換し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産生されます。すべてのアミラーゼはグリコシドヒドロラーゼに属し、α-1,4-グリコシド結合に作用します。

アミラーゼは、発酵開始時に存在する糖を生成することで、デンプン含有原料の発酵によるビールや酒の醸造において重要です。また、アミラーゼの活性は温度によって最適化され、発酵可能糖と非発酵糖のさまざまな混合物が得られます。製パン業界では、アミラーゼが複雑な糖を単純な糖に分解し、酵母によってアルコールとCO₂の副産物に変換されることで、風味を与えパンを膨らませます。現代の製パン技術では、モルト化大麦由来のアミラーゼをパン改良剤として取り入れ、より効率的かつ実用的な商業利用を実現しています。アミラーゼは市販の小麦粉の成分として登録されており、アミラーゼ強化小麦粉に常に曝露されるパン職人は、皮膚炎や職業性喘息を発症するリスクが高くなります。バチルス由来アミラーゼは、衣類や食器用洗剤にもデンプンを溶解する目的で添加されています。

セルラーゼ

セルラーゼは主に菌類、細菌、原生動物によって産生され、セルロースや関連多糖類を単糖、より短い多糖、またはオリゴ糖に分解します（セルロリシス）。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天然混合物や複合体を指す場合もあります。セルロース分解は経済的にも重要であり、植物の主要成分に消費や化学反応での応用価値を与えます。セルロース、ヘミセルロース、リケニン、穀物β-D-グルカンの1,4-β-D-グリコシド結合の切断がこの加水分解に関与しており、他の多糖類の分解と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、食物繊維を自力で消化する能力は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産生でき、またシロアリやカタツムリなど一部の動物からも得られます。

セルラーゼは、コーヒー豆の乾燥時にセルロースを加水分解することで商業的な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、洗濯用洗剤、製紙業界などでもさまざまな目的で使用されています。医薬品用途では、ヒトの胃に見られるセルロースベゾアールの一種である植物性ベゾアールの治療にも関与しています。セルラーゼはバイオマスの発酵によるバイオ燃料生産にも関与しており、これは現在比較的実験段階ですが、細菌性バイオフィルムのマトリックス外多糖内のβ(1-4)グリコシド結合を分解することで多菌種バイオフィルムの破壊にも有効です。

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あらゆる生物に広く存在し、ペプチド結合を加水分解することで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、まったく異なる触媒機構で同じ反応を行うことができ、単純な食物タンパク質の消化から高度に制御されたカスケードまで、豊富な生理反応に関与しています。プロテオリシスは非常に多様な過程であり、幅広い基質が加水分解され得ます。これは、消化酵素トリプシンが摂取されたさまざまなタンパク質をより小さなペプチド断片に切断できることにも当てはまります。しかし、多様なプロテアーゼも通常、基質の特定のアミノ酸に結合することで残基に対する特異性を持っています。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、これは血液凝固やウイルスポリプロテイン処理など、正確な切断イベントが必要な場合に不可欠です。プロテアーゼの活性は、タンパク質の機能を失わせたり、主要成分に消化したりする破壊的な変化、機能の活性化、またはシグナル伝達経路のシグナルとして現れることがあります。注目すべきは、プロテアーゼ自身もタンパク質であるため、他のプロテアーゼ、時には同種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の調節手段として機能します。

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性脂質の消化、輸送、処理に不可欠な役割を果たします。多くのリパーゼは脂質基質のグリセロール骨格上の特定の部位で作用します。例えば、ヒト膵臓リパーゼはヒト消化系で食事性脂肪を分解する主要な酵素であり、摂取した油脂中のトリグリセリド基質をモノグリセリドと2つの脂肪酸に変換できます。感染時には、病原体がリパーゼを発現・分泌します。特に、Candida albicans には多様なリパーゼが存在し、広範な脂質分解活性を示す可能性があり、ヒト組織内でのC. albicans の持続性や病原性に寄与していると考えられます。

リパーゼは、ヨーグルトやチーズの発酵のような古くからの人類の実践に利用されてきたほか、現代では製パン、洗濯用洗剤、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のバイオ触媒としても、安価で多用途な触媒として活用されています。高活性リパーゼは、従来の触媒の代替としてバイオディーゼルの製造に利用でき、高いエネルギー効率、環境面での利点、安全性をもたらします。特に、胃主細胞から分泌される胃リパーゼは、膵機能障害に伴う膵リパーゼ産生の低下を部分的に補い、体が脂質を消化するための追加手段を提供します。