酵素
プロテアーゼ以外には、衣類のセルロース繊維を部分的に分解して汚れが拡散しやすいようにするために、セルラーゼを添加している洗剤もある。
同じような例として、食器の洗剤に酵素であるプロテアーゼ(タンパク質汚れ)やリパーゼ(油汚れ)を添加することで汚れ落ちを増強したり、アミラーゼ(澱粉質の糊)を添加することで流水だけで洗浄する自動食器洗浄機でも汚れが落ちるように工夫したりしている例が挙げられる。なお、洗剤用酵素の安全性はよく調べられており、環境中で容易かつ究極的に分解する。
化粧品への酵素の応用例としては、脱毛剤にケラチンを分解する酵素パパイン(プロテアーゼの一種)を添加することで、皮膚から突出したむだ毛を分解切断する例などがある。
歯磨きへの酵素の応用例として、歯垢に含まれるデキストランを分解する酵素デキストラナーゼを添加している製品がある。
1978年、アメリカのダニエル・ネーサンズ、ハミルトン・スミス、スイスのヴェルナー・アーバーが制限酵素の発見と分子遺伝学への応用によってノーベル生理学・医学賞を受賞。 1986年 アメリカのトーマス・チェックらによって触媒作用を有するRNAである「リボザイム」が発見された。これによって、触媒作用はタンパク質に依らないという概念ができた。さらに生命の起源はRNAから始まったとする「RNAワールド仮説」の元になっている。 1986年 アメリカのトラモンタノらは抗体酵素(abzyme)を発見した。 1989年 チェックらはリボザイムの発見によってノーベル化学賞を受賞した。 1992年 スイスのエドモンド・フィッシャー、アメリカのエドヴィン・クレープスが生体制御機構としての可逆的タンパク質リン酸化の発見によって(タンパク質キナーゼ) ノーベル生理学・医学賞を受賞。 1997年 アメリカのポール・ボイヤー、イギリスのジョン・E・ウォーカーが、アデノシン三リン酸(ATP)の合成の基礎となる酵素機構の解明によって(ATPシンターゼ)、デンマークのイェンス・スコウがイオン輸送酵素、Na、K-ATPアーゼの最初の発見によってノーベル化学賞を受賞。
21世紀 2009年 アメリカのエリザベス・H・ブラックバーン、キャロル・W・グライダー、ジャック・W・ショスタクがテロメアとテロメラーゼ酵素の仕組みの発見によってノーベル生理学・医学賞を受賞。 2018年 アメリカのフランシス・アーノルドが指向性進化により人工的に酵素を合成する手法を開発し、2018年にノーベル化学賞を受賞した。
酵素の名前は国際生化学連合の酵素委員会によって命名され、同時にEC番号が与えられる。酵素の名称には「常用名」と「系統名」が付される。常用名と系統名の違いについて例を挙げながら説明する。
(例)次の酵素は同一の酵素(EC番号=EC 1.1.1.1)
系統名 — アルコール:NAD オキシドレダクターゼ(酸化還元酵素) 基質分子の名称(複数の場合は併記)と反応の名称を連結して命名される。系統名における反応の名称には規制がある。
常用名 — アルコールデヒドロゲナーゼ(脱水素酵素) 系統名と同じ規則で命名されるが、基質の一部を省略して短縮されている。また、命名規則に従わない酵素も多く、DNAポリメラーゼなどはそのひとつである。
古くに発見され命名された酵素については、上述の規則ではなく当時の名称がそのまま使用されている。
ペプシン、トリプシン、キモトリプシン、カタラーゼ
などがこれにあたる。
生体膜に存在する膜酵素はエネルギー保存や物質輸送に関与するものも多く、生体膜の機能を担う重要な酵素群(ATPアーゼ、ATP合成酵素、呼吸鎖複合体、バクテリオロドプシンなど)が多い。生体膜と酵素との位置関係によって3種類に大分できる。
埋没型 - 生体膜に埋没しているタイプ(レセプタータンパクなど)
貫通型 - 生体膜を貫通しているタイプ(チャネル、トランスポーター、ATP合成酵素など)
付着型 - 生体膜に酵素の一部が付着しているタイプ(ヒドロゲナーゼなど)
生体膜は内部が疎水性で外部が親水性であるため(=脂質二重膜と呼ばれる)、膜酵素であるタンパク質の部分構造(側鎖)の性質も、膜に接しているところは疎水性が強くて膜脂質への親和性がきわめて高く、膜から突出しているところは親水性が強くなっている。
各酵素にはもっとも活発に機能するpHがあり、これを最適pH(英: optimal pH)、もしくは至適PHという。ほとんどの酵素は各環境の生理的pHで活動がもっとも激しくなる。たとえばヒトの体内では通常最適pHは7付近であるが、胃液の中に含まれるペプシンの最適pHは1.5、トリプシンの最適pHは約8、アルギナーゼ(en:Arginase)の最適pHは9.5である。最適pHが酵素をもっとも安定化させるpHではないことに注意が必要である。
生体内での酵素の役割は、生命を構成する有機化合物や無機化合物を取り込み、必要な化学反応を引き起こすことにある。生命現象は多くの代謝経路を含み、それぞれの代謝経路は多段階の化学反応からなっている。
細胞内では、その中で起こるさまざまな化学反応を担当する形で多種多様な酵素が働いている。それぞれの酵素は自分の形に合った特定の原料化合物(基質)を外から取り込み、担当する化学反応を触媒し、生成物を外へと放出する。そして再び次の反応のために基質を取り込み、目的の物質を生成し続ける。
ここで放出された生成物は、別の化学反応を担当する酵素の作用を受けて、さらに別の生体物質へと代謝されていく。このような酵素の触媒反応の繰り返しで必要な物質の生成や不必要な物質の分解が進行し、生命活動が維持されていく。
生体内では化学工業のプラントのように基質と生成物の容器が隔てられているわけではなく、さまざまな物質が渾然一体となって存在している。
代表的な酵素の一覧を示す。
消化・同化作用・異化作用・エネルギー代謝に関与する酵素 プロテアーゼ(タンパク質分解酵素) ペプシン、トリプシン – タンパク質消化酵素 パパイン、ブロメライン – 食物由来の消化酵素 トロンビン – 血液凝固系の酵素 脂質分解酵素 リパーゼ – 中性脂肪の消化 リポ蛋白質リパーゼ – 体内脂質輸送 酸化酵素(オキシゲナーゼ) モノオキシゲナーゼ シトクロムP450 – 薬物分解酵素 ペルオキシダーゼ カタラーゼ – 過酸化水素〈活性酸素の生成物のひとつ〉の分解 エネルギー代謝に関する酵素 ATP合成酵素 – 呼吸鎖複合体におけるATP産生 リブロース1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ〈RubisCO〉– 炭酸固定〈光合成〉
遺伝に関与する酵素 DNAポリメラーゼ – DNAの複製・修復 RNAポリメラーゼ – m-RNAへの転写、遺伝子の発現 ヌクレアーゼ– DNA・m-RNAの編集、核酸代謝 制限酵素 – 遺伝子工学。 アミノアシルtRNAシンセテース – t-RNAの合成
細胞内のシグナル伝達・分子修飾に関与する酵素 リン酸化酵素(キナーゼ)– シグナル化 脱リン酸化酵素(フォスファターゼ)– 脱シグナル化 グリコシルトランスフェラーゼ – 糖鎖の修飾 DNAメチラーゼ – 遺伝子発現の制御