酵素は地球上のすべての生物が適切に機能するために不可欠です。彼らは、すべてではないにしても、ほとんどの自然の化学的変化、すなわち、植物の世界と動物の世界の両方で何百万もの反応に関与しています。酵素とは何か、それらがどのように機能するか、そしてそれらが現代医学にとってどのような意味を持つかを知ることは価値があります。
目次
- 酵素：構造
- 酵素活性の調節
- 酵素：役割
- 酵素：命名法
- 酵素と薬
- 機能不全の酵素に起因する疾患
- 酵素：診断用
- 酵素と治療
酵素は、人体を含む生体内でさまざまな化学反応を促進または可能にするタンパク質分子です。
化学的観点から、これらは触媒、すなわち反応を強化するが反応中に摩耗しない粒子です。化学変換の効率のこの増加はしばしば非常に大きく、天然の触媒は反応時間を数年から数秒に短縮できます。
酵素は、体のすべての領域で見つかります。細胞、細胞外空間、組織、臓器、およびそれらの光の中で、特定の組織が生成する触媒は、その特定の特性と体内で果たす役割を決定します。
ほとんどの酵素は非常に特異的です。つまり、それぞれの酵素は、特定の粒子（基質）が関与する1種類の化学反応のみに関与し、特定の酵素と相互作用できるのはそれらのみです。
天然触媒の活性は多くの要因に依存します：反応環境、例えば温度、pH、特定のイオンの存在、活性剤-それらはこの活性を打ち消す酵素と阻害剤の作用を高めます。
酵素：構造
前述のように、ほとんどの酵素はタンパク質であり、それらは非常に多様な構造を持っています。数十から数千のアミノ酸まで、多様な空間構造に配置されています。
それはそれらの形成の形（いわゆる四次構造）であり、ほとんどの酵素はそれらの反応の反応物よりもはるかに大きいという事実がそれらの活性に大きく関与しています。
これは、酵素の構造の特定の領域のみがいわゆる活性部位、すなわち反応の実行に関与するフラグメントであるという事実によるものです。
分子の残りの断片の役割は、酵素の活性に影響を与える特定の基質、それほど頻繁ではない他の化合物を付着させることです。
触媒の構造は、接合基板が「ロックの鍵」に関して理想的に一致するように設計されていることを知っておく価値があります。
すべてのタンパク質と同様に、酵素は、核-DNAにしっかりと詰め込まれた遺伝物質からリボソームで生成され、いわゆる一次構造を作成します。
その後、数回折りたたまれます-形状が変化し、砂糖、金属イオン、脂肪残基が追加されることがあります。
これらすべてのプロセスの結果、アクティブな四次構造、つまり完全に生物学的にアクティブなフォームが形成されます。
多くの場合、いくつかの酵素粒子が結合して一連の化学反応を実行し、プロセスを高速化します。
いくつかの組織では同じ反応を触媒する酵素が存在しますが、それらは互いに構造的に類似していないため、アイソザイムと呼びます。
位置と構造の違いにもかかわらず、アイソザイムの名前は同じですが、これらの違いは実用的です。したがって、実験室試験では、特定の臓器に由来する酵素画分のみを決定することが可能です。
酵素の作用メカニズムは多様ですが、化学的観点から見ると、その役割は常に反応の活性化エネルギーを減らすことです。これは、プロセスを実行するために基板に必要なエネルギー量です。
この効果は、反応を実行するための適切な環境を作成すること、同じ生成物を得るために異なる化学経路を使用すること、または基質の適切な空間配置によって達成できます。
これらのメカニズムのそれぞれは酵素によって使用することができます。
酵素活性の調節
酵素の作用は、環境パラメーター（温度、pHなど）に依存します。天然触媒はそれぞれ、特定の条件下で独自の最適な性能を発揮します。これは、環境条件への耐性に応じて大きく異なる場合があります。
温度の場合、ほとんどの酵素反応は高温ほど速く実行されますが、特定の温度では、酵素への熱損傷（変性）によって反応効率が急激に低下します。
それらの構造の面では、ホルモンは2つのグループに分けることができます：
- シンプル-これらはタンパク質粒子のみです
- 複合体-非タンパク質グループの結合を必要とする-それらの活動に対する補因子
後者は酵素の適切な活性と調節に重要な役割を果たします。
次に、補因子は2つのグループに分けることができます。酵素が機能するために必要なもの、それに強く関連しているもの-これらはいわゆる補欠分子族であり、金属、ヘムなどの有機分子である場合があります。
2番目のグループは補酵素であり、通常、基質または電子の移動に関与し、酵素への結合は弱いです。このグループには、たとえば、葉酸、補酵素Aが含まれます。多くのビタミンが補因子の役割を果たすことを知っておく価値はあります。
阻害剤は完全に異なるタスクを実行し、それらは酵素に結合することによって酵素活性を阻害する粒子です。
阻害剤にはいくつかの種類があります。
- 不可逆-それらは分子の永久的な不活性化を引き起こし、反応は新しい酵素の生成後にのみ起こります
- 競合的-この場合、阻害剤は基質と同様の構造を持っているため、活性部位をめぐって競合します。阻害剤が付着している場合、基質が正常である限り反応は失敗します
- 非競合的-このような阻害剤は、基質が付着する以外の場所で酵素に結合するため、酵素に付着できますが、反応は起こりません
基質の濃度が阻害剤よりもはるかに高い場合、活性部位の「競合」を超えて競合阻害剤の効果が克服されます。非競合の場合、基質の濃度を増加してもその効果は克服できません。
活性化因子および阻害因子系の調節に加えて、酵素活性を制御する他の多くの方法があります。
それらは、タンパク質形成のレベルでの細胞の産生の制御、ならびにいわゆる翻訳後プロセシングの調節、すなわちリボソームでの合成の直後に起こるタンパク質分子の構造の変化に関係している。これらの改変は、例えば、ポリペプチド鎖を短くすることである。
次の制御方法は、適切な領域での酵素の分離と配置に関するものです。細胞内および特定のオルガネラ内、または細胞外区画内です。
別の重要な規制メカニズムがあります-負のフィードバック-それは内分泌系の主要な制御システムです。それは抑制の原理で機能します。
これは、酵素が特定のホルモンを過剰に産生すると、それが結合して活性の阻害と合成の低下を引き起こし、反応生成物自体がその産生を阻害することを意味します。
酵素：役割
人体の各組織は、身体の機能におけるこれらの細胞の役割を定義する酵素の特定のセットを生成します。これらの酵素は何であるかは、遺伝暗号と、特定の細胞でどの領域が活性であるかによって定義されます。
何千もの化学反応がいつでも人体で行われ、それぞれが特定の酵素を必要とするため、私たちの体内に存在するこれらすべての粒子を一覧表示することは困難です。
ただし、最も特徴的ないくつかについて知っておく価値があります。
- 消化酵素-消化器系の組織によって生成され、これらは血液に吸収されるため、食品を単純な化合物に分解します。それらは細胞外酵素であるため、生産された細胞の外で主な役割を果たす。これらの酵素のいくつかは、不活性型、いわゆるプロ酵素またはチモーゲンで形成され、胃腸管で活性化されます。消化酵素には、例えばアミラーゼ、リパーゼ、トリプシンが含まれる。
- ミオシンは筋肉に含まれる酵素であり、エネルギー担体であるATP分子を分解します。これにより、筋繊維が収縮します。
- ペルオキシダーゼは酸化酵素とカタラーゼ、すなわち還元酵素です
- アセチルコリンエステラーゼは、神経系のメッセンジャーの1つであるアセチルコリンを分解する酵素です。
- モノアミンオキシダーゼは肝臓で最も豊富な酵素であり、アドレナリン、ノルエピネフリンおよびいくつかの薬物の分解の原因です
- エネルギー変化の原因となる非常に重要な細胞内酵素である細胞分裂酵素オキシダーゼ
- リゾチーム、例えば涙や唾液中に存在し、保護機能を果たす物質は病原体を破壊します
- エタノールの分解に関与する肝臓の酵素であるアルコール脱水素酵素
- アルカリホスファターゼ、骨芽細胞による骨形成に関与
酵素：命名法
酵素名は、それらが実行する反応の名前とその反応に関与する基質、たとえば5-ヒドロキシトリプトファンデカルボキシラーゼに由来するため、しばしば非常に複雑になります。
通常、接尾辞「-aza」が反応の一般名に追加され、酵素名の2番目の部分は、この反応を受ける化合物の名前になります。
たまたまその名前は単一であり、それは基質、例えばラクターゼ（ラクトースを分解する酵素）に由来します。
よりまれに、酵素の名前は、それらが関与して行われる一般的なプロセス、たとえばDNAジャイレース、つまりDNA鎖の回転に関与する酵素に由来します。
一部の酵素は、ペプシン（消化管内のタンパク質を分解する）やリゾチーム（涙に含まれる殺菌酵素）などの、一般的な名前または発見者が付けた名前を持っています。
DNA鎖の切断に関与する制限酵素の小さなグループもあります。この場合、この名前は、酵素が分離された微生物に由来しています。
国際生化学分子生物学連合は、酵素の命名規則を導入し、命名法を標準化するために酵素をいくつかのクラスに分けました。
以前に説明した名前に代わるものではなく、主に科学者が使用する名前の補足です。
欧州連合の規則によれば、各酵素は一連の文字で記述されます：EC x.xx.xx.xx-最初の桁はクラス、後続のサブクラスとサブクラス、最後に酵素番号を表します。言及されている酵素のクラスは次のとおりです。
•1-酸化還元酵素：酸化および還元反応を触媒する
•2-トランスフェラーゼ：転移官能基（例：リン酸）
•3-加水分解酵素：結合の加水分解（分解）に対応
•4-リアーゼ：加水分解とは異なるメカニズムで結合を切断します
•5-イソメラーゼ：それらは分子の空間的変化の原因です
•6-リガーゼ：分子を共有結合で接続します
酵素と薬
人間の健康のための酵素の重要性は非常に大きいです。その適切な操作により健康的な生活が可能となり、分析機器の開発により酵素測定により様々な疾患の診断を学んでいます。さらに、私たちはいくつかの酵素の欠乏とその結果として生じる病気をうまく治療することができますが、残念ながらこの問題にはまだやることがたくさんあります。
損傷した遺伝子を修復するために遺伝物質を安全かつ効果的に改変することができず、したがって誤って生成された酵素を修復することができないため、代謝性疾患の原因の治療は現在不可能です。
機能不全の酵素に起因する疾患
私たちの体の適切な機能は、酵素の適切な機能に大きく依存しています。多くの場合、病状は酵素の量に影響を与え、酵素が細胞から過剰に放出されたり、逆に欠乏したりします。以下は酵素機能の異常によって引き起こされる病気の例にすぎませんが、もっとたくさんあります。
- 代謝ブロックまたは代謝性疾患
代謝ブロックまたは代謝性疾患は、代謝に関与する酵素が不足しているために細胞内に物質が蓄積することによって引き起こされる遺伝性疾患のグループです。時間の経過とともに蓄積される基質は非常に多いため、細胞や生物全体に対して毒性を持ちます。
代謝性疾患は酵素をコードするほとんどの遺伝子に影響を与える可能性があるため、これらの疾患は数千であり、その数は人体に見られる多数の酵素を反映しています。
例はガラクトース血症またはホモシスチン尿症であり、まれな疾患であり、出生直後または生後数年で最も頻繁に現れます。
- 腫瘍
酵素の機能不全が関与している可能性のある別の疾患群は癌である。他の多くの機能に加えて、酵素は細胞分裂の調節、いわゆるチロシンキナーゼにも関与しています。これらの酵素がこの領域で失敗すると、制御されない細胞分裂、したがって腫瘍性プロセスが発生する可能性があります。
- 気腫
それほど一般的ではない疾患は気腫であり、その場合、エラスターゼは過剰に活性化する。これは、とりわけ、肺に存在するエラスチンタンパク質の分解に関与する、肺組織に存在する酵素です。
活動が強すぎると、破壊と構築のバランスが崩れ、瘢痕が生じ、肺気腫が発症します。
酵素：診断用
現代の医療診断は、その決定における酵素の使用に基づいています。これは、病気の状態が直接的または間接的に酵素の不均衡を引き起こし、血中の酵素の量を増減させるためです。
これは、生産障害だけでなく、例えば、その細胞膜の損傷の結果としての大量の細胞内酵素の血液または尿への放出からも生じる可能性があります。
実験室試験で使用される酵素の例は次のとおりです。
- クレアチンキナーゼ-筋肉にも存在し、心筋にも存在する酵素、その複数の増加は、心臓発作、心筋炎、筋肉疾患-傷害、ジストロフィーを示している可能性があります。
- 乳酸脱水素酵素-体のすべての細胞、特に脳、肺、白血球、筋肉に存在します。その大幅な増加は、心臓発作、筋肉や肝臓の病気や癌で観察されます。
- アルカリホスファターゼは、主に肝臓と骨に見られ、ここでは骨芽細胞から放出されます。これらの臓器の病気はその成長を引き起こす可能性がありますが、アルカリホスファターゼの過剰は、手術や骨折後の骨の再生過程を示している可能性もあります。
- 酸性ホスファターゼは多くの臓器で発生します-診断の観点から、肝臓、腎臓、骨、前立腺、その増加は骨と前立腺の病気を示している可能性があります。
- アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼとアラニンアミノトランスフェラーゼ-これらは肝細胞にのみ存在する肝臓に特徴的な酵素であり、肝疾患の基本的なスクリーニング診断に使用され、その値の数倍の増加は常に肝疾患のさらなる診断を促します。
- グルタミン酸デヒドロゲナーゼとガンマグルタミルトランスフェラーゼ-他の肝臓酵素は、前述のものと同様に、この臓器と胆管の病気の診断に重要です。
- アミラーゼは多くの臓器に存在する酵素ですが、最高濃度は膵臓および唾液腺の細胞で達成され、その診断はそれらの疾患において最も重要です。
- リパーゼは別の膵酵素で、アミラーゼとは特異性が異なります。つまり、リパーゼは膵臓でのみ発生し、この酵素の測定における標準からの逸脱は膵臓疾患を示します。
- コリンエステラーゼは、神経系の伝達物質であるアセチルコリンを分解する酵素であり、診断では有機リン化合物による中毒に使用されます。
- 凝固および線溶因子-これらは、血液凝固に関与する肝臓によって生成される物質であり、それらの測定は、このプロセスの評価だけでなく、肝機能の監視にも重要です。
- アルファフェトプロテイン-肝臓の酵素。その量は、がんを含むこの臓器の疾患で増加します。
- C反応性タンパク質-肝臓によって産生され、免疫応答に関与し、その量は炎症状態-感染症、損傷、自己免疫疾患-血液中で増加します。
- セルロプラスミン-別の肝酵素で、増加はウィルソン病の特徴です。
- ピリジノリンとデオキシピリジノリンは骨吸収（破壊）のマーカーであり、破骨細胞（骨形成細胞）の機能を特徴付けます。
- ミオグロビン-先に述べたように、筋肉の複合特性であるため、その増加は骨格筋または心筋の損傷を示します。
- トロポニン-いわゆる心臓発作マーカーは、筋繊維の収縮を調節する酵素であり、特に心筋に豊富にあります。その損傷により、大量のトロポニンが血中に放出され、心臓病の診断に使用されます。しかし、トロポニンの増加は心臓発作だけでなく、その機能不全、弁膜症、または肺塞栓症を示す可能性があることを覚えておく価値があります。
上記のすべての酵素は、いくつかのグループに分類できます。
- 分泌酵素-標準の下限は診断に役立ちます。これらは、器官によって生理学的に生成される酵素ですが、病気の場合、凝固因子などの数は減少します
- 指標酵素-成長が重要です。このグループの酵素は、臓器の損傷と酵素の漏出のために多数出現します、それらには、例えばトロポニンが含まれます
- 排泄酵素-これらは通常、さまざまな臓器の内腔-口、腸、尿路に生成される酵素です。出口が塞がれていると、アミラーゼなどの血液が入ります
酵素は医療診断自体に使用されることを覚えておく価値があります。生化学分析は酵素を使用して行われ、酵素反応の結果を適切に解釈することで、臨床検査の結果を得ることができます。
酵素と治療
多くの薬物は、酵素を作用させることによって、または逆に阻害剤であることによって、酵素の作用に影響を与えることによって機能します。膵臓の機能不全には、パンクレアチン含有リパーゼやアミラーゼなどの酵素代替物があります。
一方、一部の薬物グループは、高血圧や心不全などで使用されるアンジオテンシン変換酵素阻害剤などの酵素の作用を阻害したり、アモキシシリンなどの抗生物質、たとえば細菌の細胞壁の構築を阻害する酵素細菌のトランスペプチダーゼを阻害して、感染。
一部の毒は酵素に影響を与えることによっても機能します。シアン化物は、呼吸鎖の必須成分であるチトクロームオキシダーゼの強力な阻害剤です。それをブロックすると、細胞がエネルギーを獲得できなくなり、死に至ります。
細胞の生命過程を適切に進めるには、多くの化学物質が存在する必要があります。化学物質は、それらの間で厳密な比率で残り、化学反応が絶えず発生します。
このタスクは、適切に機能する酵素によって実行されます。酵素は、ほとんどすべての化学反応が人体の適切な機能に必要な速度と効率で行われるために必要です。
酵素の作用はこれらのプロセスを何度も、しばしば数百回も加速します。これは重要なことです。酵素自体は、反応が行われている間も摩耗しないことです。
触媒の欠如またはそれらの不適切な機能は、多くの疾患の発生をもたらす可能性があります。一方、彼らの活動の巧妙な修正は、あなたが多くの病気を首尾よく治療することを可能にします。
酵素学（酵素科学）は非常に広範であり、その開発は科学の進歩をもたらすだけでなく、治療だけでなく診断の分野でも医学の開発に積極的に貢献することができます。
著者について
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