酵素（enzyme）基質（substrate）活性部位（active site）酵素-基質複合体（ES）

生体内のほとんどの化学変化は酵素(enzyme)というタンパク質によって触媒される。酵素と結びつき変化を受ける物質を基質（substrate）という。基質は酵素分子の表面の特定の部位（活性部位, active site）に結合し，酵素タンパク質が作りだす特殊な環境により，いったんエネルギーの高い状態の（ただし，触媒がない場合よりは低いエネルギーで済む）酵素-基質複合体を形成する｡この状態から，基質は生成物（Product）へと化学形を変え，酵素から離れる｡それと同時に，酵素は元の分子状態に戻り，再び次の基質と結合する。

酵素反応の一般的な表し方

E + S  ES  E + P

E：酵素　S：基質　ES：酵素-基質複合体　P：生成物

近年，タンパク質以外の物質が生体内で触媒作用を発揮する例が見つかってきた｡一部のRNA（リボ核酸）には，触媒作用がある｡このような核酸をリボザイム（ribozyme）という。
生体内では，たくさんの酵素が働いている。それらの酵素は場合によっては単独でも働くが，多くの酵素はタンパク質以外の成分を必要とする（補助因子）。補助因子の中でも補酵素は特に重要なものである。
体内での一連の化学反応を経路と呼ぶ。例えば，グルコースからピルビン酸や乳酸に到る経路は解糖と呼ばれる。一連の化学反応は，ある特定の個所で制御することにより，全体の経路を制御できる。このような特定の個所には，しばしば，アロステリック酵素などの特有の性質を持つ酵素が使われている。

紀元前～　パン，ビール，ワインなど→発酵（fermentation）。発酵は生命力のなせるわざ！
19世紀中頃　パスツール→発酵は酵母中の易熱性物質が関与）
1822年　W. バーモント
銃で胃に穴の開いた猟師の胃を外から観察→消化も発酵と似た作用による
1822年　W. バーモント
銃で胃に穴の開いた猟師の胃を外から観察→消化も発酵と似た作用による
1835年　ベルツェリウス
ジャガイモ中にデンプン分解作用を持つ物質を確認
1878年　キューネ
酵母(ギリシャ語"zyme")の中("en")で発酵が起きることから，『酵素』(= enzyme)という用語を提唱。当時，まだ酵素の化学的本体は不明であった。
1890年　E. フィッシャー
酵素の"鍵と鍵穴"モデルを提唱。
1897年　ブフナー
酵母を砂ですりつぶして透明なろ液を得た。これが「アルコール発酵」作用を保持していることを証明。また，熱処理で活性が消失する（失活）ことも観察。→発酵の生命力説を否定。実体は高分子か？
1902年　ブラウン（英）とアンリ（仏）
スクラーゼの活性は酵素濃度に依存。反応の途中で基質と酵素は「酵素-基質複合体」をつくるという概念。
1913年　ミカエリス、メンテン
『ミカエリス・メンテン式』を発表。
1926年　J. B. サムナー
ナタマメから酵素ウレアーゼ*（urease）を結晶化。これはタンパク質からできていた。
酵素＝タンパク質
　　*NH2CONH2 + H2O → 2NH3 + CO2
1930年代　J. H. ノースロップ
ペプシン，ペプシノーゲン，キモトリプシン，キモトリプシノーゲン，トリプシン，トリプシノーゲンの結晶化。
1982年　チェックやアルトマン
触媒作用を有するRNAである『リボザイム』を発見。（触媒作用はタンパク質だけによらない。生命の起源はRNAから始まったとされる『RNAワールド仮説』へ）

http://www.sc.fukuoka-u.ac.jp/~bc1/Biochem/biochem5.htm

基質特異性（きしつとくいせい、英: Substrate specificity）は、ある酵素反応が特定の基質構造を識別し、その基質のみ化学反応が起こることである。また、そのような酵素反応は基質特異的であるという。化学反応では反応選択性と呼ばれるものに相当する。

反応選択性は化学反応の活性化ポテンシャルと立体因子の影響の違いによって生じるが、基質特異性は反応場を提供する酵素の立体構造が基質分子となじむか否かによる。すなわち、基質の結合が不完全であれば反応点が酵素の活性発現部位に寄ることもなく反応が起こらない。場合によっては酵素は基質と結合する際にコンホメーション変化を起こし、酵素反応に適した構造をとることが必要なこともある。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9F%BA%E8%B3%AA%E7%89%B9%E7%95%B0%E6%80%A7

日本工業規格に「酵素は選択的な触媒作用を持つタンパク質を主成分とする生体高分子物質」 (JIS K 3600-1310) と定義されているように触媒として利用されるが、化学工業などで用いられる典型的な金属触媒とは反応の特性が異なる。

第一に酵素反応の場合、基質濃度 [S] が高くなると反応速度が飽和する現象が見られる。酵素の場合、基質濃度を高く変えると、反応速度は飽和最大速度 Vmax へと至る双曲線を描く。一方、金属触媒の場合、反応初速度 [ν] は触媒濃度に依存せず基質濃度 [S] の一次式で決定される。

このことは、酵素と金属触媒との粒子状態の違いによって説明できる。金属触媒の場合、触媒粒子の表面は金属原子で覆われており、無数の触媒部位が存在する。それに対して酵素の場合、酵素分子が基質に比べて巨大な場合が多く、活性中心を高々1か所程度しか持たない。そのため金属触媒に比べて、基質と触媒（酵素）とが衝突頻度しても（活性中心に適合し）反応を起こす頻度が小さい。そして基質濃度が高まると、少ない酵素の活性中心を基質が取り合うようになるので、飽和現象が生じる。このように酵素反応では、酵素と基質が組み合った基質複合体を作る過程が反応速度を決める律速過程になっていると考えられる。

また、酵素反応において基質複合体の濃度 [ES] の時間応答を調べると、系に酵素を投入しても、基質複合体を形成するのに時間がかかるので、濃度 [ES] は緩やかに上昇する。その後は生成物 P の産生が始まって濃度 [ES] は定常状態となる。このように基質複合体濃度の立ち上がりの前の定常状態とその後の定常状態が観測されるのも、酵素反応の特徴である[1]。

1913年L・ミカエリスとM・メンテンは酵素によるショ糖の加水分解反応を測定し、「鍵と鍵穴」モデルと実験結果から酵素基質複合体モデルを導き出し、酵素反応を定式化した。このモデルによると、酵素を用いた系では以下の式で反応が進行する。

酵素 (E) + 基質 (S) {\displaystyle \rightleftarrows }\rightleftarrows 酵素基質複合体 (ES) → 酵素 (E) + 生産物 (P)

すなわち、酵素反応は、酵素と基質が一時的に結びついて酵素基質複合体を形成する第1の過程と、酵素基質複合体が酵素と生産物とに分離する第2の過程とに分けられる。

この理論から導かれるミカエリス・メンテン式によって、酵素反応の反応速度が求められる。ミカエリスとメンテンによる最初の理論は E + S と ES との間の化学平衡を仮定しており、ゆっくりと生成物へと反応が進行する場合の近似だったが、のちにブリッグスとホールデンがより一般的な定常条件を仮定し、その場合でも同様の式が成り立つことを示した。

酵素と基質が酵素基質複合体を形成する過程（上記の式の第1の過程）は、可逆過程として扱うことができる。この反応が定常状態である時の平衡定数はミカエリス・メンテン定数と呼ばれる酵素反応の重要なパラメータで、 Km と表記される。この定数は酵素と基質の親和性を表すパラメータであり、以下の性質を持つ：

Km値が低いと酵素と基質の親和性は高く、素早く複合体形成するが生成反応の進行は遅い。

Km値が高いと酵素と基質の親和性は低く、ゆっくりと複合体形成するが生成反応の進行は素早い。

なお、Km の実測値は、酵素反応の反応速度が最大速度Vmaxの2分の1となるときの基質濃度と同じ値になる。

また、Vmax と関連した分子活性 kcat という値が存在する。これはタンパク質1分子あたり、1秒間に何個の基質を触媒するか、と言うパラメータである。式は以下のように表される。

kcat = 基質分子濃度 (M)/酵素分子濃度 (M) × 秒

ここで右辺は分子と分母に濃度の単位を持つのでこれを約すと、kcat は s−1 という単位で現される。例を挙げれば、酵素1分子あたり1秒間に100個の基質分子を触媒すれば 100 s−1 となる。炭酸脱水酵素には極めて活性の高いものがあるが、この酵素は1秒当たり百万個の二酸化炭素を炭酸イオンに変化させる (kcat = 106 s−1)。

酵素の反応速度は、基質と構造の似た分子の存在や、後述のアロステリック効果により影響を受ける（阻害される）。阻害作用の種類によって、酵素の反応速度の応答の様式（阻害様式）が変わる。そこで、反応速度や反応速度パラメーターを解析して阻害様式を調べることで、逆にどのような阻害作用を受けているかを識別することができる。

阻害様式は大きく分けると次のように分類される：

拮抗阻害（競争阻害）

拮抗的ではない阻害

非拮抗阻害

不拮抗阻害

混合型阻害

酵素の反応速度曲線を阻害剤のない原系の場合を青線、阻害剤の存在する系を赤線で示すと次のようになる：

拮抗阻害の場合は Vmax は移動せず、Km が移動する。一方、非拮抗阻害の場合は Km は移動せず Vmax が移動する。混合型阻害の場合は図に示さないが両方の寄与が見られる。

多くの場合、阻害剤が基質に類似している場合は拮抗阻害を示す。またアロステリック阻害は拮抗的ではない阻害に該当する。それぞれの阻害様式の場合の定式化は記事ミカエリス・メンテン式に詳しい。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%85%B5%E7%B4%A0%E5%8F%8D%E5%BF%9C

『医学系のための 生化学　群馬大学教授　医博　石崎泰樹 編著』

本書は，医療の分野に進む学生に対して，できるだけ利用しやすい生化学の教科書を目指して執筆したものである．そのため図を多用し，細かな化学反応機構についての記載は省略した．また各章末には，理解度を確かめられる確認問題または応用的知識の自主的な獲得を促す応用問題を配置した．これらの問題は可能な限り症例を用い，bench-to-bedside 的な視点を読者に提供できるように心掛けた．

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