タンパク質と酵素
タンパク質は細胞の化学的に多機能な高分子であり、酵素は生命反応を生体内で有用な速度で進行させるタンパク質（および時にRNA）触媒です。
Definition
タンパク質は、ペプチド結合によって連結されたアミノ酸の直鎖状ポリマーであり、明確な三次元構造に折りたたまれます。酵素は、特定の反応の活性化エネルギーを低下させ、それ自体は消費されない生物学的触媒であり、ほとんどの場合タンパク質です。
Scope
この分野では、ポリペプチドの化学、すなわちアミノ酸の構成要素、配列から集合体までの構造組織のレベル、フォールディングのエネルギー論、および定常状態速度論、反応速度向上メカニズム、基質結合の物理化学を含む酵素の触媒挙動を扱います。ここでは、タンパク質を、その機能が構造に由来する分子オブジェクトとして、臨床実践ではなく化学科学の観点から捉えています。
Sub-topics
Core questions
- 一次元のアミノ酸配列は、どのようにしてユニークな三次元構造を決定するのでしょうか？
- どのような物理的力が折りたたまれたタンパク質を安定させ、そもそもなぜそれらは折りたたまれるのでしょうか？
- 酵素はどのようにして、高い特異性をもって何桁もの反応速度向上を達成するのでしょうか？
- 速度論的パラメータを通じて、触媒挙動をどのように定量化し、比較できるのでしょうか？
Key theories
- 特異性に関する鍵と鍵穴モデルおよび誘導適合モデル
- フィッシャーの鍵と鍵穴の概念は、酵素と基質間の幾何学的相補性を提唱しました。コシュランドの誘導適合の改良は、基質結合が触媒基を整列させるコンフォメーション変化を引き起こし、特異性をより完全に説明すると主張しています。
- 遷移状態安定化
- 酵素は、基底状態の基質よりも遷移状態をより強く結合させることによって、主に反応を加速し、活性化の自由エネルギーを低下させます。このパウリングによって明確にされ、その後発展した枠組みは、ほとんどの触媒戦略を統合します。
Mechanisms
触媒能力は、反応物の近接と配向、一般酸塩基触媒作用、共有結合触媒作用、金属イオン触媒作用、および荷電中間体の静電安定化といった戦略の組み合わせから生じます。これらは、活性部位に結合した基質に作用します。活性部位は、その残基がタンパク質のフォールドによって配置され、基質ではなく反応の遷移状態を補完するポケットです。
Clinical relevance
酵素のメカニズムと速度論の理解は、化学科学全体にわたる応用を支えています。例えば、阻害剤の合理的設計、グリーン合成のための生体触媒の工学、代謝経路がどのように調節されるかの解釈などです。ここでの扱いは、メカニズム的であり、処方的なものではありません。
History
タンパク質と酵素の科学は、19世紀の発酵研究とフィッシャーの立体化学的洞察から、ミカエリスとメンテンの速度論的定式化（1913年）を経て、20世紀半ばのX線結晶構造解析による最初のタンパク質構造（ミオグロビンとヘモグロビン）の決定に至り、「構造が機能を決定する」というパラダイムを確立しました。
Key figures
- Emil Fischer
- Linus Pauling
- Daniel Koshland
- Leonor Michaelis
- Maud Menten
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Seminal works
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Frequently asked questions
- すべての酵素はタンパク質ですか？
- ほとんどはそうですが、一部の触媒RNA分子（リボザイム）も酵素として機能し、生物学的触媒作用には厳密にタンパク質構造が必要ではないことを示しています。
- 触媒と反応物の違いは何ですか？
- 酵素を含む触媒は、活性化エネルギーを低下させることによって反応を加速し、反応の終わりに変化せずに再生されるため、全体の化学量論には現れません。