最大化酶活性的理论条件的发现

2023年8月24日

理化研究所

科技振兴机构

最大化酶活性的理论条件的发现

－-为食品加工、医药品、生物燃料相关酶的开发做出贡献

理化学研究所(理研)环境资源科学研究中心生物功能催化剂研究小组的大冈英史研究员、千叶洋子高级研究员、中村龙平小组组长的研究小组发现了最大化酶反应速度的理论条件。

本研究成果有望为食品加工、医药品合成、生物燃料生产的酶的开发做出贡献。

酶是指蛋白质中具有加速特定化学反应功能的物质。将从酶中得到的反应速度的大小称为酶活性[1]，明确如何最大限度地发挥活性，无论是在工程上还是在基础科学上都是重要的课题。

这次，研究小组独自开发了表示酶活性的数学式，对在什么条件下活性最大进行了数学分析。结果从理论上推导出了表示酶与底物[2]亲和性的米氏保守常数( Km ) [3]等于底物浓度( [S] ) [4]时酶活性最大化。另外，天然酶的Km与其基质在细胞内的浓度相关，这表明该酶活性最大化的规律在自然界也适用。在人工催化剂[5]领域，为了提高活性，自古以来就一直在进行调节催化剂和基质的亲和性的工作。根据本研究的成果，可以认为即使是作为生物催化剂的天然酶，也可以通过亲和性的优化提高活性。

本研究刊登在科学杂志《Nature Communications》在线版( 8月24日:日本时间8月24日)上。

当米氏保守常数Km与基质浓度[S]相等时，酶活性最大

背景

酶承担着呼吸和消化等维持生命不可缺少的化学反应。另外，在医药品的精密合成、生物燃料生产、食品加工等丰富我们生活的化学反应中，酶也被有效利用。为了加速这些反应，减少必要的酶量，提高每一个酶的反应速度，也就是酶活性是很重要的。

在理解酶活性方面，图1的反应机理是基本的。在这个反应机制中，首先基质( s )与酶( e )结合，形成复合体( ES )。随后，复合物( ES )释放出产物( p )。可以认为，越是能够高速进行复合体形成和生成物释放两者的酶，活性越高。

然而，同时加快复合体形成和产物释放并不容易。如果底物和酶的亲和性高，复合体就容易形成，但会阻碍生成物的释放。另一方面，如果基质和酶的亲和性过低，就难以形成复合体。在此基础上，我们预测在复合体形成和生成物释放取得平衡的“正好的亲和性”方面，酶活性将达到最大。

图1酶模型的反应机制

酶( e )和底物( s )首先生成复合体( ES )，然后，使生成物( p )从酶上脱离，进行反应。 e、s、p分别是Enzyme、Substrate、Product的开头字母。箭头上下的k1、k1r、kcat为速度常数，亲和性Km由( k1r+kcat )/k1定义。

研究方法和成果

在寻求这个“正好的亲和性”的基础上，出发点是米卡利斯维护式[6]。这是表示表示底物和酶亲和性的米氏保守常数( Km )与图1所示酶反应速度之间关系的理论公式。这个公式虽然是100多年前提出的，但是作为理解酶反应的最基本的模型，现在也被广泛利用。但是，该公式没有考虑“如果亲和性过高，生成物的释放会变慢”。因此，研究小组利用物理化学定律[7]，导出了考虑亲和性和生成物释放之间的束缚条件[8]的新公式。然后，通过对该数学式进行微分[9]，得到了亲和性Km与底物浓度( [S] )相同时酶活性最大的解。

实际上，根据得到的新公式进行数值模拟后，确实发现亲和性和基质浓度相等时活性最大化(图2 )。例如，底物浓度高时(图2红线)，亲和性不高的酶也能与底物充分形成复合体。在这种情况下，为了促进生成物的释放，降低亲和性(增大Km )被认为是有益的。另一方面，基质浓度低时(图2蓝线)，复合体形成不利，所以提高亲和性(减小Km )很重要。

图2酶与底物亲和力( Km )和活性的关系

以亲和性( Km )的高度为横轴时，酶活性(纵轴)在一定条件下最大。其条件是Km和基质浓度[S]相等。蓝线表示Km=[S]=0.1μM时，红线表示Km=[S]=10μM。随着基质浓度的增加，纵轴顶点的位置(将活性最大化的Km )向右偏移。

Km等于底物浓度时，正好各存在一半没有成为复合体的酶( ES )的酶( e )。这被认为对防止复合体形成和生成物释放的任何一方拖后腿很重要。因为，为了快速制造复合体，需要很多还没有与基质结合的酶，为了快速释放生成物，需要很多与基质结合的酶。通过调节Km至底物浓度，达到两者的平衡，使综合酶活性最大。

为了验证这一活性最大化规律在自然界中是否也成立，通过生物信息学[10]分析对天然酶的Km及其基质在细胞内的浓度进行了比较。结果表明，大多数天然酶具有接近底物浓度的Km (图3 )。由此可以认为，具有接近底物浓度Km的酶可能在生物进化中被优先选择。

图3天然酶中Km与底物浓度的关系

Km在各种天然酶中的频率分布。横轴表示Km相对于基质浓度有几个数量级的不同。柱状图表示数据件数，实线和虚线表示作为标准的正态分布及其中心。由于整个分布几乎以零( Km=[S] )为中心，因此可以认为在自然界中，Km也一直被调节到与基质浓度相同的程度。另外，频率分布的原始数据基于以大肠杆菌、酵母、人、小鼠为对象的Park等人( Nat. Chem. Biol .，2016 )的报告。图中，以1000件左右从约120种中枢代谢产物中获得的数据为对象。

今后的期待

到目前为止，为了选择能最快、大量合成目标物质的酶，需要通过实验进行反复试验。与此相对，如果有本研究提出的“使用与底物浓度相同Km的酶比较好”的方针，就可以期待高效地选择合适的酶。

如果本研究的成果被证明实际上有助于提高酶反应的效率，则可以设想在食品加工、医药品的合成、生物燃料生产等生物工程·代谢工程中广泛应用，在联合国2016年制定的17个“可持续发展目标( SDGs[11] )”中为“2 .杜绝饥饿”“3 .为所有人提供健康和福利”“7 .为大家提供能源，实现清洁”“13 .为气候变化制定具体对策”做出贡献。

补充说明

1 .酶活性

评价酶反应速度的指标。用较少的量就能得到较大速度的酶，其活性越高。为了快速、大量地合成目标产物，提高酶的活性是工程上的重要课题。

2 .基质

酶反应消耗的化学物质。例如，酒类中含有的乙醇是醇解酶的底物。

3 .米卡利斯维护常数( Km )

表示基质和酶亲和性强度的指标。作为形成复合体所需的基质浓度的标准。因此，Km越小的酶，即使基质量越少也能形成复合体，与基质的亲和性越高。名字来源于从事酶反应研究的Leonor Michaelis和Maud Menten。

4 .基质浓度( [S] )

反应体系中存在的基质的浓度。一般来说，通过用方括号将化学物种的符号括起来就可以表示其浓度。例如，对于基质s，基质浓度可以表示为[S]。

5 .人工催化剂

催化剂是指“促进某种反应但自身不被消耗的物质”。在生物体内，主要由蛋白质构成的酶作为催化剂发挥作用，但人工材料中经常使用金属材料。例如，铂等贵金属催化剂被用于汽车的排气净化。

6 .米卡利斯维护仪式

表示酶反应速度的最基本的数学公式。自一个世纪前被提出以来，至今仍在使用。以该式为基础，还导出了考虑抑制剂等更复杂的反应机理的数学公式。

7 .物理化学定律

这里指的是阿雷纽斯公式和布伦特兰(贝尔)埃文斯·波兰尼公式。通过使用这些，可以根据亲和性的强度计算速度常数，以及反应速度。

8 .束缚条件

传统的米氏保守式一直认为复合体形成的速度和生成物释放的速度可以自由改变。但是，实际上，由于两者通过高亲和性相互影响，如果要加速一方，另一方就会减速。据说有这样的制约时，复合体形成和生成物释放的速度之间有束缚条件。

9 .微分

求某函数斜率的数学方法。除了本研究以外，在机器学习和卫星轨道的计算等寻求某些最佳解的情况下也是不可缺少的方法。另外，在气象、经济、感染扩散的预测等从现状预测未来时也被广泛利用。

10 .生物信息学

许多生化实验的结果集中在国际数据库中。作为进行新实验的替代，分析数据库中信息的研究方法被称为生物信息学。

11.SDGs

可持续发展目标。 2015年9月联合国峰会通过的《可持续发展2030议程》所载2016-2030年国际目标。由实现可持续世界的17个终点、169个目标构成，不仅是发展中国家，发达国家自身也在努力实现通用(普遍)，日本也在积极地采取措施。 (从外务省主页部分改变转载) SDGs是Sustainable Development Goals的缩写。

研究支援

本研究在科学技术振兴机构( JST )开创性的研究支持事业“非平衡状态下催化反应网络理论的开拓(研究代表者:大冈英史，JPMJFR213E )”以及该机构ACT-X“酶的Km值再考察:探索决定最佳值的因子(研究代表者:千叶洋子，JPMJAX20BB )”的支持下进行。

原论文信息

Hideshi Ooka, Yoko Chiba, Ryuhei Nakamura, "Thermodynamic Principle to Enhance Enzymatic Activity using the Substrate Affinity", Nature Communications, 10.1038/s41467-023-40471-y

主讲人

理化研究所

环境资源科学研究中心生物功能催化研究小组

研究员大冈英史

高级研究员千叶洋子

队长中村龙平

大岡英史

千葉洋子

中村龍平

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