代謝は酵素反応の統合のため、そのひとつひとつの調節が重要となります。調節は、酵素の隔離、物質の同化と異化を別経路で行うこと、基質や補因子、pH、酵素の相互作用による反応調節、酵素活性と酵素量の調節などで行われます。細胞内の酵素濃度は、酵素の合成と分解の速度を変えることで調整されます。
原核細胞において、その構造は簡単で、形質膜にいくつか重要な酵素は配置され、細胞質で主な代謝が秩序正しく行われます。真核細胞における代謝酵素系は、それぞれの目的により隔離されています。形質膜は外部との隔壁であるだけでなく、重要な陽イオン、陰イオン、中性物質を選択的に輸送する器官であり、また、各種ホルモンの受容部位もあります。
生体には単一酵素で触媒される可逆反応もありますが、2種の酵素がそれぞれ逆向きの反応を触媒し、可逆にみえる反応もあります。これは基質サイクルと呼ばれます。逆向きは、前向きとは別の酵素による反応で、多くの場合、加水分解などは不可逆反応です。細胞では逆向きと前向きの2種の酵素で、反応を調節しています。単一酵素では、調節できません。
酵素は正のエフェクターで活性化され、負のエフェクターで阻害されます。生成物は質量作用の法則で、その反応を阻害します。酵素作用を巧妙に調節するのが、フィードバック阻害です。最終産物が酵素反応を阻害して、前駆体の生成を妨害します。フィードバック阻害では、調節物質が酵素たんぱく質のコンフォメーションを変えて触媒活性を調節します。化学修飾では、酵素の作用でリン酸基などがついたり離れたりすることで、構造が変化し、活性が調整されます。カスケード系は、変換酵素が少し活性化されるだけで酵素の活性が大きく変化します。
酵素の配置
代謝は酵素反応の統合のため、そのひとつひとつの調節が重要となります。調節は、酵素の隔離、物質の同化と異化を別経路で行うこと、基質や補因子、pH、酵素の相互作用による反応調節、酵素活性と酵素量の調節などで行われます。細胞内の酵素濃度は、酵素の合成と分解の速度を変えることで調整されます。
原核細胞において、その構造は簡単で、形質膜にいくつか重要な酵素は配置され、細胞質で主な代謝が秩序正しく行われます。形質膜は真核細胞のオルガネラ膜に代わり、呼吸、酸化的リン酸化、リン脂質合成などを行います。
真核細胞における代謝酵素系は、それぞれの目的により隔離されています。形質膜は外部との隔壁であるだけでなく、重要な陽イオン、陰イオン、中性物質を選択的に輸送する器官であり、また、各種ホルモンの受容部位もあります。核は遺伝情報の貯蔵、転写の場所です。核質ではmRNAとtRNAを、核小体ではrRNAを合成し、細胞質に送り出します。細胞質では、これらの情報に従ってたんぱく質がつくられます。ミトコンドリアには細胞のエネルギー代謝に関与する酵素が集中し、小胞体にはいろいろな膜酵素とたんぱく質合成系が集まっています。リソソームには加水分解の酵素系が集中し、細胞死後に細胞成分を分解する役を果たします。ゴルジ体は分泌顆粒をつくり、ほかのオルガネラ向けのたんぱく質を選別、修飾して送り出します。
グルコースをCO2とH2Oに分解するには、少なくとも解糖系、ペントースリン酸経路、TCA回路の3経路があります。解糖系とペントースリン酸経路の諸酵素は細胞質にあり、TCA回路の酵素系は、電子伝達、酸化的リン酸化の諸酵素とともにミトコンドリアに結び付いています。この3つの代謝系は密接な関係にあり、相互関係が少しでも妨害されるとグルコース代謝は混乱し、正常に進まなくなります。さらにリン酸イオン、マグネシウムイオンの濃度、ADPとATPのなどの比、CO2分圧が変わると代謝系に影響します。
基質サイクル
生体には単一酵素で触媒される可逆反応もありますが、2種の酵素がそれぞれ逆向きの反応を触媒し、可逆にみえる反応もあります。これは基質サイクルと呼ばれます。
逆向きは、前向きとは別の酵素による反応で、多くの場合、加水分解などは不可逆反応です。細胞では逆向きと前向きの2種の酵素で、反応を調節しています。単一酵素では、調節できません。
グルコース+ATP→ヘキソキナーゼ→グルコース6リン酸+ADP
グルコース6リン酸+H2O→グルコース6ホスファターゼ→グルコース+Pi
逆向きと前向きの反応が勝手に繰り返せば、ATPなどを無駄に加水分解してしまうことから、両反応はうまく調節されなければなりません。
酵素の活性化と阻害
酵素は正のエフェクターで活性化され、負のエフェクターで阻害されます。
生成物は質量作用の法則で、その反応を阻害します。ヘキソキナーゼでグルコースがグルコース6リン酸になるとき、グルコース6リン酸がたまると反応は遅くなります。
酵素作用を巧妙に調節するのが、フィードバック阻害です。最終産物が酵素反応を阻害して、前駆体の生成を妨害します。この酵素を調節酵素、あるいはアロステリック酵素といいます。フィードバック阻害の場合、阻害剤の構造は、阻害する酵素の基質に似ていません。フィードバック阻害では、調節物質が酵素たんぱく質のコンフォメーションを変えて触媒活性を調節します。
特定の物質が調節酵素に共有結合して、化学修飾する場合もあります。化学修飾では、酵素の作用でリン酸基などがついたり離れたりすることで、構造が変化し、活性が調整されます。
カスケード系の調節機構としては、個々の酵素を化学修飾する変換酵素と元に戻す変換酵素の活性化、不活性化があります。カスケード系は、変換酵素が少し活性化されるだけで酵素の活性が大きく変化します。グリコーゲンの合成と分解を調整するカスケード系では、細胞外の信号が細胞内部のカスケード系を制御します。外部の信号は第1メッセンジャーと言い、アドレナリン、グルカゴン、セロトニン、プロスタサイクリン、アセチルコリンなどです。第1メッセンジャーが細胞形質膜表面の特定の受容体に結合すると、その信号は一連の内在たんぱく質のコンフォメーションを変化させ、形質膜内面の増幅酵素に達し、これを活性化します。増幅酵素は、リン酸化された前駆体を第2メッセンジャーに変え、これがプロテインキナーゼを活性化します。第2メッセンジャーには、サイクリックAMP（cAMP）、ジアシルグリセロール、イノシトールトリスリン酸があります。
cAMPは、増幅酵素のアデニレートシクラーゼの作用でつくられます。この酵素は、動物細胞の形質膜内面にある内在たんぱく質です。一方、cAMPはcAMPホスホジエステラーゼで分解されます。細胞にはcAMPの合成と分解の酵素がそろっており、cAMPの濃度を保っています。なお、カフェインは、cAMPホスホジエステラーゼを阻害し、cAMPを増加させます。
まとめ
代謝は酵素反応の統合のため、そのひとつひとつの調節が重要となります。調節は、酵素の隔離、物質の同化と異化を別経路で行うこと、基質や補因子、pH、酵素の相互作用による反応調節、酵素活性と酵素量の調節などで行われます。細胞内の酵素濃度は、酵素の合成と分解の速度を変えることで調整されます。
原核細胞において、その構造は簡単で、形質膜にいくつか重要な酵素は配置され、細胞質で主な代謝が秩序正しく行われます。真核細胞における代謝酵素系は、それぞれの目的により隔離されています。形質膜は外部との隔壁であるだけでなく、重要な陽イオン、陰イオン、中性物質を選択的に輸送する器官であり、また、各種ホルモンの受容部位もあります。
生体には単一酵素で触媒される可逆反応もありますが、2種の酵素がそれぞれ逆向きの反応を触媒し、可逆にみえる反応もあります。これは基質サイクルと呼ばれます。逆向きは、前向きとは別の酵素による反応で、多くの場合、加水分解などは不可逆反応です。細胞では逆向きと前向きの2種の酵素で、反応を調節しています。単一酵素では、調節できません。
酵素は正のエフェクターで活性化され、負のエフェクターで阻害されます。生成物は質量作用の法則で、その反応を阻害します。酵素作用を巧妙に調節するのが、フィードバック阻害です。最終産物が酵素反応を阻害して、前駆体の生成を妨害します。フィードバック阻害では、調節物質が酵素たんぱく質のコンフォメーションを変えて触媒活性を調節します。化学修飾では、酵素の作用でリン酸基などがついたり離れたりすることで、構造が変化し、活性が調整されます。カスケード系は、変換酵素が少し活性化されるだけで酵素の活性が大きく変化します。
