酵素
キモトリプシンとトリプシン(牛)、パンクレアチンは牛や豚の膵臓から、パンクレリパーゼ(豚)は医薬品として、ブロメライン(パイナップル)やパパイン(パパイヤ)はタンパク質消化を助ける健康食品としてよく用いられる。酵素を含む消化酵素剤が、第2類医薬品や医薬部外品として販売されている。高峰譲吉が小麦の皮フスマから発酵培養させたデンプン分解酵素のタカヂアスターゼも、配合される酵素のひとつである。消化酵素剤が病院で処方されることもあり、体内の消化酵素不足による消化器症状や血流、皮膚症状を起こしている状態を改善することが目的である。また消化酵素剤は膵臓の病気による酵素不足のために医療として用いられ有効である。
日本では傷の壊死組織を除去するためのブロメラインの軟膏の医薬品がある。日本国外では同じ目的でパパインの軟膏が利用できる国もあり、健康な皮膚組織には影響を与えにくい。パパインが含まれるパックや洗顔料も市販されている。
生体内ではある1つの基質に着目しても、作用する酵素が違えば生成物も変わってくる。通常、酵素は1つの化学反応しか触媒しない性質を持ち、これを酵素の反応特異性と呼ぶ。
酵素が反応特異性を持つため、消化酵素などいくつかの例外を除けば、通常1つの酵素は生体内の複雑な代謝経路の1か所だけを担当している。これは、生体を恒常的に維持するための重要な性質である。
まず、ある代謝経路が存在するかどうかは、その代謝経路を担当する固有の酵素が存在するかどうかに左右されるため、その酵素タンパク質を産生する遺伝子の発現によって制御できる。また、代謝産物の1つが過剰になった場合、その代謝経路を担当する固有の酵素の活性にフィードバック阻害が起こるため、過剰な生産が動的に制御される。
酵素はそれぞれに固有の基質と生化学反応を担当するが、同じ生体内でも組織や細胞の種類が異なると、別種の酵素が同じ基質の同じ生化学反応を担当する場合がある。このような関係の酵素を互いにアイソザイム(英: isozyme)と呼ぶ。
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。
1955年 サンガーらはインスリンの一次構造を決定した。 1955年 スウェーデンのヒューゴ・テオレルが、酸化酵素の研究によってノーベル生理学・医学賞を受賞。 1960年 アメリカのウィリアム・スタインとスタンフォード・ムーアによって、リボヌクレアーゼのアミノ酸配列が決定された。 1962年 ジョン・ケンドリューとマックス・ペルーツが、球状タンパク質の構造研究によってノーベル化学賞を受賞。 1965年 イギリスのデビッド・フィリップスはリゾチームと基質の複合体の立体構造を明らかにした(酵素として立体構造が決定されたのはこれが初めて)。 1965年 フランスのフランソワ・ジャコブ、アンドレ・ルウォフ、ジャック・モノーが、酵素およびウイルスの合成の遺伝的調節に関する研究によってノーベル生理学・医学賞を受賞。 1965年 高崎義幸らが、グルコースイソメラーゼを用いて異性化糖の製造法を発明。 1968年 H.O.Smith, K.W.ウィルコックスらがDNAの制限酵素を発見した。 1968年アメリカのジョー・マッコード、アーウィン・フリドビッチがフリーラジカルを排除する酵素、スーパーオキシドジスムターゼ(SOD)を発見。 1969年 アメリカのロバート・メリフィールドが、ペプチド固相合成法を用いて、化学的にリポヌクレアーゼを合成した。 1972年 スタインとムーアは酵素の一次構造決定によってノーベル化学賞を受賞。 1975年 オーストラリアのジョン・コーンフォースが、酵素による触媒反応の立体化学的研究によってノーベル化学賞を受賞。