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酵素(こうそ)とは、生体でおこる化学反応に対して触媒として機能する分子である。

酵素は生物が物質を消化する段階から吸収・輸送・代謝・排泄に至るまでのあらゆる過程に関与しており、生体が物質を変化させて利用するのに欠かせない。このため、酵素は生化学研究における一大分野であり、早い段階から研究対象になっている。

多くの酵素は生体内で作り出されるタンパク質をもとにして構成されている。そのため、生体内での生成や分布の特性、あるいは熱やpHにより変性し活性を失う(失活)といった特性などは、他のタンパク質と同様である。

生体を機関に例えるならば、核酸塩基配列が表すゲノムが設計図に相当するのに対して、生体内における酵素は組み立て工具に相当する。酵素の特徴である作用する物質(基質)をえり好みする性質(基質特異性)と目的の反応だけを進行させる性質(反応選択性)などによって、生命維持に必要なさまざまな化学変化を起こさせるのである。

また、人類は古来より発酵という形で酵素を利用してきた。そして今日では、酵素の利用は食品製造だけにとどまらず、化学工業製品の製造や日用品の機能向上など広い分野に応用されている。医療においても、酵素量を検査して診断したり、酵素作用を調節する治療薬を用いるなど、酵素が深く関っている。

◆ 役割

生体内での酵素の役割は、生命を構成する有機、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。

小さな細胞内では、その中で起こるさまざまな化学反応を担当する形で多くの種類の酵素がはたらいている。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別の基質を取り込む。

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ゆく。その繰り返しで酵素の触媒反応は進行し、ひいては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。しかし生命現象をつくる代謝経路でいろいろな化合物が無秩序に反応してしまっては生命活動は維持できない。

したがって酵素は、生体内の物質の中から作用するべき物を選び出さなければならない。また、反応で余分な物を作り出してしまうと周囲に悪影響を及ぼしかねないことから、ある基質に対して起こす反応は1通りでなければならない。酵素は生体内の化学反応を秩序立てて進めるために、このように高度な基質選択性と反応選択性を持つ。

さらに、などにより化学反応の進行を周りから制御する機構を備えた酵素もある。それらの選択性や制御性を持つことで、酵素は渾然とした細胞内で必要なときに必要な原料を選択し、目的の生成物のみを産生するのである。

このように、細胞よりも小さいスケールで組織的な作用をするのが酵素の役割である。人間が有史以前より利用していた発酵も細胞内外で起こる酵素反応の一種である。

◆ 発見

最初に発見された酵素はジアスターゼ(アミラーゼ)で、1832年にA・パヤン (Anselme Payen) とJ・F・ペルソ (Jean Francois Persoz) によるものである。命名も彼らが行った"[外部リンク] amylase", [外部リンク] The Columbia Encyclopedia. 6th ed. Bartleby.com.。彼らは翌1833年には麦芽の無細胞抽出液によるでんぷんの糖化を発見し、生命(細胞)が存在しなくても、発酵のプロセスの一部が進行することを初めて発見した。

また、1836年にはT・シュワンにより、胃液中にタンパク質分解酵素のペプシンが発見・命名されている[外部リンク] Theodor Schwann. [外部リンク] Encyclop?dia Britannica. 2007. Encyclop?dia Britannica Online.。この頃の酵素は生体から抽出されたまま、実体不明の因子として分離・発見されている。

「酵素 (enzyme)」という語は酵母の中 (in yeast) という意味のギリシア語の"εν ζυμη"に由来するもので、1878年にドイツのウィルヘルム・キューネによって命名されたHarper, D (2001). "[外部リンク] enzyme". [外部リンク] Online Etymology Dictionary.。

19世紀当時、ルイ・パスツールによって、生命は自然発生せず、生命がないところでは発酵(腐敗)現象が起こらないことが示されていた。このため「有機物は生命の助けを借りなければ作ることができない」とする生気説が広く信じられており、酵素作用が生命から切り離すことができる化学反応(生化学反応)のひとつにすぎないということは画期的な発見であった。

しかし生物から抽出するしか方法がなく、微生物と同様に加熱すると失活する性質を酵素が持っていたため、その現象は酵素が引き起こしているのか、それとも目に見えない生命(細胞)が混入して引き起こしているのかを区別することは困難であった。

このため、酵素が生化学反応を起こすという考え方はすぐには受け入れられず、当時のヨーロッパの学会では酵素の存在を否定するパスツールらの生気説派と酵素の存在を認めるユストゥス・フォン・リービッヒらの発酵素説派とに分かれて論争は続いた。

最終的には、1896年にエドゥアルト・ブフナーが酵母の無細胞抽出物を用いてアルコール発酵を達成したことにより、生気説は完全に否定され、酵素の存在が認知された徳重正信、「酵素」『世界大百科事典』(CD-ROM版、第2版)、日立デジタル平凡社、1998年。。

◇ 鍵と鍵穴説

上述したように、19世紀後半にはまだ酵素は生物から抽出される実体不明の因子と考えられていたが、酵素の性質に関する研究は進んだ。その研究の早い段階で、酵素の特徴として基質特異性と反応特異性が認識されていた。

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