酵素
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生化学
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酵素反応速度
日本工業規格に「酵素は選択的な触媒作用をもつタンパク質を主成分とする生体高分子物質」（JIS K 3600:2000-1418[26]）と定義されているように触媒として利用されるが、化学工業などで用いられる典型的な金属触媒とは反応の特性が異なる。
第一に酵素反応の場合、基質濃度[S]が高くなると反応速度が飽和する現象が見られる。酵素の場合、基質濃度を高く変えると、反応速度は飽和最大速度 Vmax へと至る双曲線を描く。一方、金属触媒の場合、反応初速度 [ν] は触媒濃度に依存せず基質濃度 [S] の一次式で決定される。
これは、酵素と金属触媒との粒子状態の違いによって説明できる。金属触媒の場合、触媒粒子の表面は金属原子で覆われており、無数の触媒部位が存在する。それに対して酵素の場合は、酵素分子が基質に比べて巨大な場合が多く、活性中心を多くても数か所程度しか持たない。したがって、金属触媒に比べて、基質と触媒（酵素）とが衝突しても（活性中心に適合し）反応を起こす頻度が小さい。そして基質濃度が高まると、少ない酵素の活性中心を基質が取り合うようになるため、飽和現象が生じる。このように酵素反応では、酵素と基質が組み合った基質複合体を作る過程が反応速度を決める律速過程になっていると考えられる。
酵素反応の定式化
1913年、L・ミカエリスとM・メンテンは酵素によるショ糖の加水分解反応を測定し、「鍵と鍵穴」モデルと実験結果から酵素基質複合体モデルを導き出し、酵素反応を定式化した。このモデルによると、酵素は次のように示される。
- 酵素（E）+ 基質（S）
酵素の反応速度曲線を、阻害剤のない原系を青線、阻害剤の存在する系を赤線で示す 詳細は「酵素反応#阻害様式と酵素反応速度」を参照酵素の反応速度は、基質と構造の似た分子の存在や、後述のアロステリック効果によって影響を受ける（阻害される）。阻害作用の種類によって、酵素の反応速度の応答の様式（阻害様式）が変わる。そこで、反応速度や反応速度パラメータを解析して阻害様式を調べることで、逆にどのような阻害作用を受けているかを識別することができる。どのような阻害様式であるかを調べることによって、酵素がどのような調節作用を受けているか類推することができる。医薬品開発では、調節作用を研究することは、酵素作用を制御することによって症状を改善する新たな治療薬の開発に応用されている。
阻害様式は大きく分けると次のように分類される。
酵素反応の活性化エネルギー
触媒の活性化エネルギー比較[27] 反応名 触媒/酵素† エネルギー値
（cal/mol[注釈 3]H2O2の分解 （なし） 18,000 白金コロイド 11,000 カタラーゼ†
Catalase; 肝）5,000 ショ糖の加水分解 H+ 26,500 サッカラーゼ†
（酵母）11,500 カゼイン
の加水分解HCl aq. 20,000 キモトリプシン†
（Trypsin）12,000 酢酸エチルの
加水分解H+ 13,200 リパーゼ†
（Lipase; 膵）4,200 一般に化学反応の進行する方向は化学ポテンシャルが小さくなる方向（エネルギーを消費する方向）に進行し、反応速度は反応の活性化エネルギーが高いか否かに大きく左右される（化学平衡や反応速度論を参照）。
酵素反応は触媒反応で、化学反応の一種なので、その性質は同様である。ただし、一般に触媒反応は化学反応の中でも活性化エネルギーが低いのが通常であるが、酵素反応の活性化エネルギーは特に低いものが多い。
一般に活性エネルギーが15,000cal/molから10,000cal/molに低下すると、反応速度定数はおよそ4.5×107倍になる。
反応機構モデル
詳細は「酵素反応#反応機構モデル」を参照単純な構造の無機触媒や酸塩基触媒等とは異なり、酵素は基質特異性を発揮し、ターゲットとする反応のみの活性化エネルギーを下げている。こういった、酵素特有の特徴を生み出す酵素反応の機構については、いまだ統一的な見解は得られていない。しかし今日では、構造生物学の発展や組み換えタンパク質等の変異導入といった諸技法によって、その片鱗が明らかにされつつある。
たとえば、タンパク質分解酵素セリンプロテアーゼでは、酵素と複合体を形成することで基質は遷移状態に近い分子構造で束縛され（反応系のエントロピー減少）、その結果として活性化エネルギーの低下（反応の促進）が起こる（エントロピー・トラップ）。[要検証]。
キモトリプシンの酸塩基触媒部位 酵素と結合した基質は、酵素の活性中心付近において分子構造が規制され（誘導適合）、より反応しやすい状態となり、生成物への反応が進行する[要検証]。ここでは、セリンプロテアーゼの一種であるキモトリプシンの例を示す。
- His57がプロトンを負に荷電したAsp102に譲渡する。
- His57が塩基となり、活性中心のSer195からプロトンを奪う。
- Ser195が活性化されて（負に荷電して）基質を攻撃する。
- His57がプロトンを基質に譲渡する
- Asp102からHis57がプロトンを奪い、1.の状態に戻る。
遷移状態と抗体酵素
詳細は「酵素反応#遷移状態と抗体酵素」を参照酵素反応において、酵素基質複合体から生成物へと変化する過程では、原子間の結合距離や角度などが変形した分子構造となる遷移状態や反応中間体を経由する。
言い換えると、化学反応がしやすい分子の形状が遷移状態であり、酵素は酵素基質複合体が誘導適合することでその状態を作り出している。遷移状態は活性ポテンシャルの高い状態に相当するため、少ないエネルギーで反応中間体の状態を乗り越えて生成物へと変化する。
遷移状態を作ることが酵素タンパクの主たる役割だとすれば、結合によって遷移状態を作り出すことができれば酵素になるとも考えられる。実際に酵素と同じように分子構造を識別し、その分子と結合する生体物質に抗体がある。1986年、アメリカのトラモンタノらは、酵素と同じ働きをするように意図して製造した抗体が意図どおりの酵素作用を示すことを発見し、抗体酵素（abzyme）と名づけた。
超分子化合物によって、人工酵素を作り出す研究も成果を上げている。
酵素反応の調節機構
詳細は「酵素反応#酵素反応の調節機構」を参照生体が酵素活性の大小を制御するには、酵素の量を制御する場合と、酵素の性質を変化させる場合とがある。それらは次のように分類される[28]。
- 酵素タンパク質の合成量制御による酵素量の増大
- 酵素タンパク質が他の生体分子と可逆的に作用することによる酵素活性の変化
- 酵素タンパク質が修飾されることによる酵素活性の変化
1.の調整は遺伝子の発現量の転写調節によって実現し、2.や3.については酵素の質的な変化であり、1.の転写制御より素早い応答を示す。
2.や3.の調節の例として「フィードバック阻害」が挙げられる。フィードバック阻害によって生産物が過剰になると酵素活性が低減し、生産物が減ると酵素活性は復元する。
注釈
出典
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