化学的特異性

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に結合する能力のことです。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ります。

特異性は、特定のタンパク質とリガンド間の結合の強さを表します。この関係は解離定数によって説明でき、解離定数はタンパク質-リガンドシステムの結合状態と非結合状態のバランスを特徴付けます。^[1]単一の酵素と一対の結合分子のコンテキストでは、2つのリガンドは、解離定数に基づいて、酵素に対してより強いリガンドまたはより弱いリガンドとして比較できます。（値が低いほど、結合が強くなります。）

リガンドセットに対する特異性は、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す。 ^[1]

特定の酵素の化学的特異性が高い場合、これは、その酵素が結合するリガンドのセットが制限され、追加の分子では結合イベントも触媒作用も顕著な速度で発生しないことを意味します。

結合活性が非常に特異的になり得るタンパク質-リガンドペアの一例としては、抗体-抗原系がある。^[2] 親和性成熟は通常、非常に特異的な相互作用につながるが、ナイーブ抗体は無差別であり、より多くのリガンドに結合する。^[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は、シトクロム P450系がある。これは、複数のリガンドに対する幅広い特異性のため、無差別酵素と見なすことができる。プロテアーゼは、幅広い切断特異性を示す酵素群である。消化酵素としての無差別プロテアーゼはペプチドを非特異的に分解するが、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る。^[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な影響を与えます。2つの分子間の特異性がどこから生じるかに関して、静電相互作用と疎水性相互作用が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。柔軟性タンパク質は、より多くのリガンドに構造を適応させることができるため、より無差別です。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、柔軟性タンパク質の結合は通常、エントロピーペナルティを伴います。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関係の主な理由です。抗体は、剛性と特異性の間に強い相関関係を示します。^{[6] [3]}この相関関係は、抗体のパラトープをはるかに超えています^[7]

酵素特異性とは、特定の酵素とそれに対応する基質との相互作用を指します。基質との結合における特異性に加え、正しい近接性と配向、および遷移状態の結合によって、酵素特異性にさらなる層が加わります。

酵素は、特定の生理学的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、特異性が低い必要があり、その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、特定の生理学的機能では、適切な反応と生理学的表現型が発生するために、酵素が単一の特定の基質に対して極めて特異性を持つ必要があります。さまざまなタイプの分類は、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、および立体化学的特異性の 4 つのグループに分けられます。

絶対的な特異性は排他的であると考えられ、酵素は1つの特定の基質に作用します。^[8]絶対的に特異的な酵素は、その特定の基質との1つの反応のみを触媒します。たとえば、ラクターゼは、ラクトースから2つの糖単糖類、グルコースとガラクトースへの分解に特異的な酵素です。別の例としては、グルコキナーゼがあります。これは、グルコースからグルコース-6-リン酸へのリン酸化に関与する酵素です。これは主に肝臓で活性であり、ヘキソキナーゼの主なアイソザイムです。^[9]その絶対的な特異性は、多くのヘキソースを基質として受け入れるヘキソキナーゼとは対照的に、グルコースが基質となり得る唯一のヘキソースであることを意味します。

グループ特異性は、酵素が芳香族構造、リン酸基、メチルなどの特定の官能基を持つ分子とのみ反応するときに発生します。^[10] 1つの例はペプシンです。これは、食事で摂取した食品の消化に不可欠な酵素で、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します。もう1つの例はヘキソキナーゼです。これは、グルコースをリン酸化してグルコース-6-リン酸を生成する解糖系に関与する酵素です。この酵素は、複数のヘキソース（6炭素糖）を基質として許容することでグループ特異性を示します。^[11]グルコースは、解糖系での役割により、ヘキソキナーゼが関与する代謝経路で最も重要な基質の1つですが、ヘキソキナーゼが反応を触媒できる唯一の基質ではありません。

結合特異性は、グループ特異性とは異なり、特定の化学結合タイプを認識します。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、特定の結合タイプ (たとえば、ペプチド結合) に依存する点で、グループ特異性とは異なります。

このタイプの特異性は、基質の光学活性の配向に敏感です。立体化学分子は、平面偏光を回転させる方法、または結合の配向（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、α-グリコシド結合を含むデンプンやグリコーゲンには反応しません。これは、哺乳類が食物を消化できる方法に関係しています。たとえば、アミラーゼという酵素は、 α-結合に対して立体特異的であり、これが哺乳類がデンプンやグリコーゲンをエネルギーの形態として効率的に使用できるのに、セルロースは使用できない理由です（β-結合であるため）。

酵素基質複合体の形成における特定の平衡解離定数は として知られています。これは親和性の尺度として使用され、値が高いほど親和性が低いことを示します。 ${\displaystyle k_{d}}$

与えられた式（E = 酵素、S = 基質、P = 生成物）において、

${\displaystyle E+S{\overset {k_{1}}{\underset {k_{-}{1}}{\Longleftrightarrow }}}ES{\overset {k_{2}}{\Longleftrightarrow }}E+ P}$

${\displaystyle k_{d}}$は と同等であり、ここで、 および は、それぞれ個々の E および S から酵素基質複合体への変換における順方向反応と逆方向反応の速度です。 ${\displaystyle k_{-1}/k_{1}}$${\displaystyle k_{1}}$${\displaystyle k_{-1}}$

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ます。^[4]

特定の基質に対する酵素の化学的特異性は、ミカエリス・メンテンの式から導かれる 2 つの変数を使用して見つけることができます。は、酵素基質複合体の解離定数を近似します。 は、酵素量に対する酵素によって触媒される反応の数、つまり回転率を表します。は、特異性定数として知られており、特定の酵素に対する基質の親和性の尺度となります。 は酵素の効率とも呼ばれ、この関係は、特定の基質に対する酵素の好みを明らかにします。酵素の特異性定数が高いほど、その基質に対する好みが高いことに対応します。 ${\displaystyle k_{m}}$${\displaystyle k_{cat}}$${\displaystyle k_{cat}}$${\displaystyle k_{m}}$

酵素特異性は、最終的に生理機能を決定し、その役割を果たす酵素構造についての有用な洞察を提供します。 ^[12]特異性研究は、触媒メカニズムの情報も提供する可能性があります。

特異性は新薬の発見や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で標的分子に対する特異性をテストされます。患者に好ましくない症状を引き起こすオフターゲット効果の可能性を最小限に抑えるために、薬は可能な限り特異的な構造を持たなければなりません。薬は、特定の分子標的を阻害するために設計された分子と処方の特異性に依存します。^[1]新薬の発見は、非常に特異的な化合物を含む実験によって進歩します。たとえば、薬が成功裏に達成できることが証明され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、薬が打ち消すことを意図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ために信号を伝達する能力の両方です。^[13]

免疫染色などの科学技術は、化学的特異性に依存しています。免疫染色は、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つの技術はウェスタンブロッティングで、組織内の特定の目的のタンパク質を検出するために使用されます。この技術では、ゲル電気泳動に続いて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]

• 酵素の乱交
• 基質（化学）