酵素の構造と分類

酵素の構造と分類は、酵素が何でできているか、その三次元構造がどのように触媒部位を形成するか、そして数千もの既知の酵素がどのように体系的な命名法に組織されているかを記述する酵素学の一部です。これはタンパク質の構造と触媒機能を結びつけ、生物学および医学全体で酵素を特定し比較するために使用される共通の語彙を提供します。

Definition

酵素は生化学反応を触媒するタンパク質（および場合によってはRNA）であり、その構造が基質結合活性部位を決定し、EC番号付けシステムを用いて触媒する反応の種類によって体系的に分類されます。

Scope

この分野は、酵素触媒作用の構造的基礎と、酵素の命名および分類に使用される慣例について読者に説明します。タンパク質構造と活性部位、酵素委員会（EC）番号付けシステム、補因子と補欠分子族、タンパク質の折りたたみと機能的酵素への集合、およびアイソザイム（同じ触媒活性を持つ複数の分子形態）を扱います。これらは生化学における参照トピックとして扱われ、臨床的または投与量に関するガイダンスの出典ではありません。

Sub-topics

• Cofactor Binding and Prosthetic Groups
• Enzyme Classification and EC Numbering
• Isoenzymes and Multiple Forms
• Protein Folding and Enzyme Assembly
• Protein Structure and Enzyme Active Sites

Core questions

• タンパク質の三次元構造はどのように触媒活性部位を形成するのか？
• 酵素はどのように体系的に命名され、分類されるのか？
• 酵素はどのような非タンパク質補因子を必要とし、それらはどのように結合するのか？
• 折りたたまれていないポリペプチドは、触媒作用に必要な正確な折りたたみ構造にどのように到達するのか？
• なぜ単一の触媒活性がしばしばいくつかの異なる分子形態として存在するのか？

Key concepts

• 活性部位と触媒残基
• 基質特異性
• 酵素委員会（EC）分類
• 補因子、補酵素、および補欠分子族
• アポ酵素とホロ酵素
• タンパク質の折りたたみと四次構造の集合
• アイソザイム（複数の分子形態）

Key theories

誘導適合

基質結合は酵素のコンフォメーション変化を誘発し、活性部位が基質に合わせて形を変えることで、古い硬直した鍵と鍵穴の特異性モデルを洗練する。

アンフィンセンの熱力学的仮説

タンパク質の天然の折りたたまれた構造、したがってその触媒能力は、生理学的条件下でのアミノ酸配列によって決定され、折りたたみ情報が配列自体にコードされていることを示唆する。

Mechanisms

酵素のアミノ酸配列は、特定の残基を集合させて活性部位を形成する明確な三次元構造に折りたたまれ、そこで基質が結合し、化学反応が加速されます。多くの酵素は、触媒機構を完成させるために補因子または補欠分子族をさらに必要とし、多くは折りたたまれた、しばしば多サブユニットの集合体としてのみ機能します。同じ触媒活性は、異なる遺伝子によってコードされた、または異なるサブユニットから組み立てられた、構造的に異なるいくつかのアイソザイムによって実行されることがあります。これらすべてにおいて、ECシステムは、特定の触媒機能を固有の数値識別子に結びつける反応ベースのラベルを提供します。

Clinical relevance

酵素の構造と分類を理解することは、臨床検査医学および薬理学において酵素がどのように同定され、測定され、議論されるかの基礎となります。アイソザイムパターンと酵素分類は、診断用酵素アッセイや酵素標的薬がどのように考案されるかに情報を提供します。この項目は、構造および命名フレームワークに関する教育的背景であり、診断または治療の決定の根拠となるものではありません。

Evidence & guidelines

酵素命名法は、国際生化学・分子生物学連合（IUBMB）の命名委員会によって維持されており、ENZYMEデータベースなどの公開リソースで管理されており、これらが一体となって生化学全体で使用されるEC番号付けを定義しています。

History

酵素の体系的な研究は、酵素がタンパク質であるという認識と、20世紀半ばに最初の酵素構造が決定された後に続きました。コシュランドの誘導適合説（1958年）とアンフィンセンの折りたたみ研究（1973年の彼の総合に至る研究）は、配列、構造、および触媒機能を結びつけ、一方、マーカートとモラーによる1959年の複数の分子形態の記述はアイソザイムの概念を導入しました。並行して、酵素委員会は反応ベースの分類を確立し、これは今日IUBMBとENZYMEデータベースを通じて維持されており、特徴付けられたすべての活性に固有のEC番号を与えています。

Key figures

• Christian B. Anfinsen
• Daniel E. Koshland
• Clement L. Markert
• Amos Bairoch

Seminal works

• koshland-1958
• anfinsen-1973
• markert-moller-1959
• bairoch-2000

Frequently asked questions

酵素分類は実際に何を分類しているのか？

酵素委員会システムは、酵素をその構造や起源ではなく、触媒する化学反応の種類によって分類し、各活性に4桁のEC番号を割り当てます。

すべての酵素はタンパク質ですか？

ほとんどの酵素は、その折りたたまれた構造が活性部位を形成するタンパク質ですが、一部の触媒活性はRNA分子（リボザイム）によって行われます。この分野は、代謝を支配するタンパク質酵素に焦点を当てています。