分子生物学−酵素

 

酵素について概説できる

→生体反応（生体内における化学反応）の触媒＝生体触媒

　何千もの生体反応のそれぞれを、別々の酵素が担当している。

 

酵素の物質的基盤を説明できる

→ほとんどの酵素が球状タンパク質だが、中にはRNAのものもあり、

RNA酵素をリボザイムという。

 

酵素の分類法の原則を説明できる

→酵素は触媒する反応様式により、6つの大分類に分けられる。

　その分類に従ったコードナンバーによる命名法もあるが、古くから使われている慣用名が今でも一般的に用いられている。

推奨名は、ある程度その酵素の性質や属性が分かるように名づけられた慣用名のこと。

ただし、ペプシンなどの古い慣用名は、そのまま推奨名となっている。

 

酵素の6つの大分類を説明できる

→�@酸化還元酵素（酸化還元を助ける酵素）

　�A転移酵素（？？？）

　�B加水分解酵素（加水分解を助ける酵素）

　�C除去付加酵素（�@�B以外の方法による分子の切断を助ける酵素）

　�D異性化酵素（シストランス、LD、アルデヒドケトンなどの相互変換を助ける酵素）

　�E合成酵素（2つの分子の結合を助ける酵素）

 

酵素の触媒作用をエネルギーの観点から説明できる

→酵素（触媒）は活性化エネルギーを下げる（遷移状態を安定化させる）ことにより、

　反応速度を高め、生体内において実用的な速さにしている。

　衝突理論によれば、反応速度を上げるには4つの方法があり、活性化エネルギーを下げる方法は

　その中の1つである。

　また、反応速度は平衡とは関係しない。これは、平衡が「反応次数」と「反応物の濃度」に依存しているためである。

 

酵素活性の表現法を説明できる

→酵素活性の公式単位を「カタール（katal、kat）」、

基礎医学・薬学分野で使われる単位を「国際単位・ユニット（U）」という。

また、比活性とは、タンパク質1mgの活性（活性はkatもしくはUで表す）のこと。

 

酵素を補助する物質を説明できる

→酵素には単純酵素と複合酵素の2種類があり、複合酵素の酵素本体以外を補因子という。

　補因子の中でも、有機補因子を補酵素と、金属イオンを含む補因子を金属酵素という。

 

基質特異性を概説できる

→ほとんどの場合、1つの酵素は1つの基質（触媒作用を受ける反応物）に専属（特異的）であり、

これを基質特異性（鍵と鍵穴の関係）という。

鍵と鍵穴があえば、酵素-基質複合体ができる。

また、酵素は立体異性体も判別するために、立体特異的であるとも言われる。

 

活性部位の概念を説明できる

→酵素には活性部位というものがあり、活性部位は基質結合部位と触媒部位からなる。

　基質結合部位はキラルであるために、エナンチオマーやジアステレオマーを識別できる。

　また、鍵穴モデルとは、酵素の活性部位が形を変えないことを言い、

誘導適合モデルとは、酵素の活性部位が基質の結合に伴って形を変えることを言う。

 

最適pHの意味、原因、例外について説明できる

→酵素の活性はpHによって変わる＝pH依存性

ほとんどの酵素は中性付近で最も高い活性を持ち、これを最適pHという。

　これは、極端なpHではタンパク質である酵素の立体構造が壊れてしまうからである。

　アシドーシスやアルカローシスが危険なのは、血中のpHが下がり、

酵素が破壊されてしまうことによる。

例外として、胃内部の酵素ペプシンやリソソーム中の酵素は酸性の最適pHを持ち、

洗剤中のタンパク質分解酵素はアルカリ性の最適pHを持つ。

 

最適温度の意味、原因、例外について説明できる

→温度によっても酵素活性は変わる＝温度依存性

　ほとんどの酵素の最適温度は45℃程度であるが、これより高くなると急激に活性を失う。

　これは、タンパク質の熱変性のせいである。

　例外として、温泉に存在する好熱細菌は最適温度が100℃近い耐熱性酵素を持つ。

 

酵素反応速度論を概説できる

ミカエリス−メンテン型反応速度論を式およびグラフに基づいて説明できる

→まず、酵素反応は次のような化学反応式で起こる。

　ここで、Sは基質、Eは酵素、ESは酵素-基質複合体、Pは生成物を表す。

　　　

そして、酵素反応速度はミカエリス−メンテンの式で表される。

ν₀は反応の初速度、[S]は基質濃度、Vmaxは酵素の最大初速度、Kmはミカエリス定数。

ミカエリス定数はVmax/2の時の[S]の値。

これを、グラフにすると、次のような曲線が得られる。

Vmaxは酵素の限界能力であるので、反応速度がそこに近づくと、

[S]を増やしても反応速度は変わらなくなる。これを飽和現象という。

（つまり、飽和するまでは、基質濃度依存性であるといえる。）

また、ミカエリス定数を得られるVmax/2を半飽和という。

　　

　また、曲線は基質によって異なる。

　下のグラフの場合、酵素と相性が良いのはS1である。

　つまり、Kmが大きい方が酵素との親和性が低い（＝酵素活性が小さい）と言える。

　　

→ミカエリス定数KmはES複合体の解離定数（平衡定数）Kの近似値である。

　　

　Kは上の式において、S+EとESとの間の解離定数（平衡定数）であるので、

　と表せる。

　一方、ミカエリス定数Kmは、反応全体中のES複合体の平衡定数であるので、

と表せる。

　しかし、k2<<k-1であるため、k2≒0とみなすと、

となる。

 

ラインウィーバー−バークのプロットを誘導し、グラフからKmとVmaxを

求める方法を説明できる

→ミカエリス−メンテンの式の逆数をとると、次のような式が得られる。

　これを、ラインウィーバー−バークの式という。

　この式において、変数はν₀と[S]、定数はKmとVmaxであるので、

　1次関数（ｙ＝ax+ｂ）の直線式と考えることができる。

　

　この式の利点は、グラフが直線で得られる所である。

実験において、プロットした点からは、曲線より直線の方が描きやすいため、

ミカエリス−メンテンプロットよりラインウィーバー−バークプロットの方が使われる。

（ラインウィーバー−バークプロットは二重逆数プロットとも呼ばれる。）

また、グラフの、y切片からはVmaxが、x切片からはKmが簡単に得られる。

 

KmとVmaxを求めることの意義を説明できる

→酵素にとってのKmとVmaxは、化学物質についての融点や沸点のようなものであり、

　酵素の特徴を表す。

　また、KmとVmaxがわかれば、反応速度や触媒効率等がわかり、

反応機構（酵素の触媒機構）の理解にもつながるので、

医薬品の開発等の酵素を利用した研究に必要である。

 

酵素阻害について概説できる

→酵素阻害剤とは、ある酵素の作用を特異的に阻害する物質のことで、非特異的に阻害するものは酵素阻害剤とは言わない。

　酵素阻害は、薬物として用いられることもあるが、体内でも自動的に起こることであり、

　生体調節や生体防御等のために働いている。

　また、薬物として酵素阻害剤を使うことで、反応機構を理解できることもある。

 

競争阻害剤の作用機構、反応速度論への影響を説明でき、実例を挙げることができる

→競争阻害剤は、↓のように、基質と酵素の活性部位をめぐって奪い合う（＝基質との競合）

ことで、酵素基質複合体の生成を妨げる。このため、競争阻害剤と基質の比によって

酵素能力が変わる。

　反応速度論としては、Kmが大きくなるが、Vmaxは変わらない。

　また、競争阻害剤の具体例にはAZTがある。AZTはエイズ治療薬で、HIVの逆転写酵素を

阻害する。

 

非競争阻害剤の作用機構、反応速度論への影響を説明でき、

実例を挙げることができる

→非競争阻害剤は、↓のように、酵素の活性部位ではない部分に作用することで、

酵素の能力を下げる。

また、ESにくっついてESIとなることで酵素能力を無くすこともできるため、

競争阻害剤とは違い、基質濃度を高めても酵素全体の能力は変わらない。

反応速度論としては、Kmは変わらず、Vmaxが小さくなる。

具体例は、鉛（�U）Pb²⁺、水銀（�U）Hg²⁺を含む、ある種の重金属イオン。

 

競争阻害と非競争阻害がミカエリス−メンテン型プロット、ラインウィーバー−バークプロット

でどのように表されるか説明できる。

→競争阻害剤のグラフは↓

　

　非競争阻害剤のグラフは↓

　

 

アイソザイム（イソ酵素）について概説できる

→同じ反応を触媒するが、分子構造の異なる酵素のことをアイソザイム（イソ酵素）という。

　このような働きがあるのは、異なる場所（肝臓と心臓とか）や異なる状況でも、

同じ反応が起きるように進化したためかもしれない。

具体例に、乳酸デヒドロゲナーゼがある。

 

アロステリック酵素について概説できる

→アロステリック酵素とは、下図のように活性部位とは別の場所に「鍵穴」のある酵素のことで、

　その「鍵穴」のことをアロステリック部位といい、そこに結合する「鍵」のことを、

　アロステリックエフェクターという。

　

　アロステリックエフェクターがアロステリック部位に結合した時、

酵素能力を高める正の調節と、低める負の調節がある。

また、基質とアロステリックエフェクターは相互的に働きあうため、これを協同現象といい、

この協同現象のために、反応速度のグラフはミカエリス−メンテン型ではなく、

シグモイド曲線（S字型曲線）となる。