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化学的特異性とは、高分子（タンパク質など）の結合部位が特定のリガンドと結合する能力のことである。タンパク質が結合できるリガンドの数が少ないほど、その特異性は高くなる。
特異性とは、特定のタンパク質とリガンド間の結合の強さを表すものです。この関係は解離定数によって表され、タンパク質-リガンド系における結合状態と非結合状態のバランスを示します。[ 1 ]単一の酵素と一対の結合分子の場合、2つのリガンドは、解離定数に基づいて、（酵素にとって）より強いリガンドか弱いリガンドかを比較することができます。（値が低いほど結合が強いことを示します。）
一連のリガンドに対する特異性は、リガンドを基質として特定の反応を触媒する酵素の能力とは無関係である。 [ 1 ]
ある酵素が高い化学的特異性を持つということは、その酵素が結合するリガンドの種類が限られていることを意味し、そのため、追加の分子が加わっても、結合反応も触媒作用も顕著な速度では起こらない。
結合活性が非常に特異的なタンパク質-リガンドペアの例として、抗体-抗原系が挙げられます。[ 2 ]親和性成熟は通常、非常に特異的な相互作用をもたらしますが、ナイーブ抗体は非特異的で、より多くのリガンドに結合します。[ 3 ]逆に、基質に結合して複数の反応を効果的に触媒できるタンパク質-リガンド系の例として、シトクロムP450系が挙げられます。これは、複数のリガンドに対する幅広い特異性から、非特異的な酵素とみなすことができます。プロテアーゼは、幅広い切断特異性を示す酵素群です。消化酵素としての非特異的なプロテアーゼはペプチドを非特異的に分解しますが、非常に特異的なプロテアーゼはシグナル伝達カスケードに関与しています。[ 4 ]
タンパク質とリガンド間の相互作用は、2つの実体間の特異性に大きく影響します。静電相互作用と疎水性相互作用は、2つの分子間の特異性がどこから生じるかという点において最も影響力があることが知られています。[ 5 ]タンパク質とリガンド間のこれらの相互作用の強さは、多くの場合、互いの特異性と正の相関関係にあります。
結合プロセスの特異性は、結合パートナーの柔軟性に大きく依存します。剛性の高いタンパク質は、結合の可能性が非常に限られています。柔軟なタンパク質は、より多くのリガンドに合わせてコンフォメーションを調整できるため、より多様です。結合プロセスは通常、複合体内の両方の結合パートナーの剛性化につながるため、柔軟なタンパク質の結合は通常、エントロピー損失を伴います。これが、結合親和性と結合特異性の間に頻繁に見られる正の相関の主な理由です。抗体は、剛性と特異性の間に強い相関を示します。[ 6 ] [ 3 ]この相関は、抗体のパラトープをはるかに超えて広がっています[ 7 ]
酵素特異性とは、特定の酵素とその基質との相互作用を指します。基質結合における特異性に加えて、適切な近接性や配向、そして遷移状態への結合も、酵素特異性をさらに高める要素となります。
酵素は、特定の生理機能を果たすために、結合する基質の特異性が異なります。一部の酵素は特異性が低くても構わないため、反応を触媒するために多数の基質に結合する場合があります。一方、特定の生理機能においては、適切な反応と生理的表現型が生じるために、酵素が単一の特定の基質に対して極めて高い特異性を持つことが求められます。分類の種類は、基質に対する特異性に基づいて異なります。最も一般的には、絶対特異性、グループ特異性、結合特異性、立体化学特異性の4つのグループに分けられます。
絶対特異性とは、酵素が特定の基質にのみ作用するという排他性であると考えることができます。[ 8 ]絶対特異性酵素は、特定の基質に対してのみ1つの反応を触媒します。たとえば、ラクターゼは、ラクトースをグルコースとガラクトースという2つの単糖に分解する特異的な酵素です。もう1つの例はグルコキナーゼで、これはグルコースをグルコース-6-リン酸にリン酸化する酵素です。主に肝臓で活性があり、ヘキソキナーゼの主要なアイソザイムです。[ 9 ]その絶対特異性とは、基質として多くのヘキソースを受け入れるヘキソキナーゼとは対照的に、グルコースが唯一のヘキソースであることを意味します。
グループ特異性とは、酵素が芳香族構造、リン酸基、メチル基などの特定の官能基を持つ分子とのみ反応する場合に生じる現象である。[ 10 ]一例として、食事で摂取した食物の消化に不可欠な酵素であるペプシンが挙げられる。ペプシンは、フェニルアラニン、トリプトファン、チロシンなどの芳香族側鎖を認識し、疎水性アミノ酸間のペプチド結合を加水分解する。別の例として、解糖に関与し、グルコースをリン酸化してグルコース-6-リン酸を生成する酵素であるヘキソキナーゼが挙げられる。この酵素は、複数のヘキソース（6炭糖）を基質として許容することでグループ特異性を示す。[ 11 ]グルコースは、解糖における役割のため、ヘキソキナーゼが関与する代謝経路において最も重要な基質の1つであるが、ヘキソキナーゼが反応を触媒できる唯一の基質ではない。
結合特異性は、基特異性とは異なり、特定の化学結合の種類を認識します。これは、特定の反応を触媒するために特定の官能基の存在に依存するのではなく、特定の結合の種類（例えば、ペプチド結合）に依存するという点で、基特異性とは異なります。
この種の特異性は、基質の配向の光学活性に敏感です。立体化学的に異なる分子は、平面偏光を回転させる方法、つまり結合の配向（α、βグリコシド結合を参照）が異なります。立体化学的に特異的な酵素は、これらの特定の特性を持つ基質に結合します。たとえば、β-グリコシダーゼは、セルロースに存在するβ-グリコシド結合とのみ反応しますが、α-グリコシド結合を含むデンプンやグリコーゲンには存在しません。これは、哺乳類が食物を消化する方法に関係しています。たとえば、哺乳類の唾液には、α結合に立体特異的なアミラーゼという酵素が含まれています。これが、哺乳類がデンプンやグリコーゲンをエネルギー源として効率的に利用できるのに、セルロース（β結合であるため）を利用できない理由です。
酵素-基質複合体形成の特異的平衡解離定数は、これは親和性の尺度として用いられ、値が高いほど親和性が低いことを示す。
与えられた方程式（E = 酵素、S = 基質、P = 生成物）について、
と同等になる、 どこそしてこれらはそれぞれ、個々のEとSが酵素基質複合体に変換される際の順方向反応と逆方向反応の速度である。
情報理論では、結合スペクトルのエントロピーを計算することで、特異性をより定量的に定義することができる。[ 4 ]
酵素の特定の基質に対する化学的特異性は、ミカエリス・メンテン式から導き出される2つの変数を用いて求めることができる。酵素-基質複合体の解離定数を近似的に表す。これは、酵素のターンオーバー率、つまり酵素によって触媒される反応の数を酵素量で割った値を表します。以上これは特異性定数として知られており、基質と特定の酵素との親和性を示す指標です。酵素効率とも呼ばれるこの関係は、酵素が特定の基質を好む度合いを明らかにします。酵素の特異性定数が高いほど、その基質に対する選択性が高いことを意味します。
酵素の特異性は、最終的に生理機能の決定と役割を担う酵素構造に関する有用な洞察を提供する。 [ 12 ]特異性の研究は、触媒機構に関する情報も提供する可能性がある。
特異性は新規薬剤開発と臨床研究の分野で重要であり、新薬はさまざまな臨床試験ラウンドで標的分子に対する特異性がテストされます。薬剤は、患者に好ましくない症状を引き起こす可能性のあるオフターゲット効果の可能性を最小限に抑えるために、可能な限り特異な構造を含まなければなりません。薬剤は、特定の分子標的を阻害するために設計された分子と製剤の特異性に依存します。[ 1 ]新規薬剤開発は、非常に特異性の高い化合物を用いた実験によって進展します。たとえば、薬剤が成功裏に達成しなければならない基礎は、生理学的環境において標的受容体に高い特異性で結合する能力と、薬剤が打ち消そうとしている病気や疾患に対して好ましい生物学的効果を生み出すシグナルを伝達する能力の両方です。[ 13 ]
免疫染色などの科学的手法は、化学的特異性に依存しています。免疫染色では、抗体の化学的特異性を利用して、細胞レベルで目的のタンパク質を検出します。[ 14 ]化学的特異性に依存するもう1つの手法は、組織中の特定の目的タンパク質を検出するために使用されるウェスタンブロッティングです。この手法では、ゲル電気泳動の後、サンプルを抗体で染色された膜に転写します。抗体は目的の標的タンパク質に特異的であり、研究者の目的のタンパク質の存在を示す蛍光タグが含まれています。[ 15 ]
