3分で簡単タンパク質の「失活」身近にもある失活現象とともに現役理系大学院生がわかりやすく解説！

ライター／Caori

国立大学院の博士課程に在籍している現役の理系大学院生。とっても身近な現象である生命現象をわかりやすく解説する「楽しくわかりやすい生物の授業」が目標。

生物分野での失活とは

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「失活」とは広義では化学物質などの活性が失われ、反応を起こさなくなることです。「失活」の定義は分野によって異なりますが、生物の分野では主に酵素（タンパク質）がその機能を失うことを「失活」と呼びます。

酵素が失活する主な要因は大きく分けて3つ。1つめはタンパク質の高次構造の変化。2つめは酵素の活性に必要な補因子の欠失。3つめは酵素学的な制御による失活です。タンパク質の立体構造が変化することを「変性」といい、一般的には変性によってタンパク質が活性を失うことを「失活」といいます。正確には変性と失活は異なりますが、タンパク質は変性すると失活を伴うため、同じ意味として用いられることも多いです。

タンパク質の構造

NHGRI - Courtesy: National Human Genome Research Institute, パブリック・ドメイン, リンクによる

「失活」を解説するために、まずはタンパク質の構造について説明しておきますね。タンパク質の構造は4つの層に分けられます。まず、一次構造はアミノ酸がペプチド結合で鎖状に結合した配列です（ポリペプチド鎖）。二次構造は近くにあるペプチド結合同士が水素結合を形成して、らせん状のα-ヘリックス構造とシート状のβ-シート構造の2種類の局所的な副構造からなります。

三次構造は、疎水性残基が水と反発して内側に潜ろうとする力によって進み、比較的離れたアミノ酸同士が、水素結合、疎水結合、イオン結合、ジスルフィド結合などにより全体が折りたたまれた立体構造です。四次構造 は、いくつかのポリペプチド鎖の三次構造が相互作用により複数会合したもので、四次構造を形成するそれぞれのポリペプチド鎖をサブユニットと言います。

変性による失活

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タンパク質の活性はその立体構造と深い関わりを持っていて、三次構造・四次構造によって決定されています。加熱や冷却などの温度変化、pHの変化などは立体構造を作り出している水素結合、疎水結合、イオン結合、ジスルフィド結合を破壊してしまうのです。このため、二次構造～四次構造（立体構造）を維持できなくなり、タンパク質は「変性」します。身近な例では、生卵を茹でると固まってゆで卵になりますよね。これは卵のタンパク質が加熱により変性しているためです。変性により構造が変わることで、タンパク質はその機能を失い「失活」します。

ゆで卵のように一度変性してしまうと、二度と元の状態へ戻られないタンパク質も多数存在しますが、変性では一次構造は変化しません。このため、一定の条件下でのタンパク質の変性は可逆的で再活性化する場合があることが最近の研究で報告されています。

酵素の失活

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酵素とは、生体内で起こる化学反応を触媒する働きをもつタンパク質です。酵素はタンパク質だけで構成される場合もあれば、金属イオンや有機化合物などの酵素の活性にタンパク質以外の補因子を含むものがあります。

補因子は2種類あり、1つめは金属イオン（鉄や亜鉛など）などタンパク質と共有結合などで直接結合している分子（補欠分子族）。2つめは有機化合物（ビタミンなど）などタンパク質と可逆的に遊離する因子（補酵素）です。酵素と補酵素の結合はゆるく、簡単に外れてしまう上に、酵素反応の進行にともない消費されていきます。補因子を含む酵素は補因子がなければ活性を発現することができません。つまり、補酵素を失った酵素は失活しています。この場合、補因子が追加で提供されると活性を取り戻すので不可逆的な現象です。

酵素学的な制御による失活

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酵素は生体内のあらゆる化学反応に関連して、多段階からなる代謝経路を進行させています。しかし、延々と反応が進み続けては恒常性を維持できません。そのため生物は酵素の働きを抑制したり失活させることで、代謝の進行を制御する機構を備えています。

酵素の制御機構にはいくつかありますが、酵素の活性部位に基質と似た物質が入り込み、基質と競合的に活性を阻害する方法。酵素の活性部位以外の部分（アロステリック部位）に特定の物質（リガンド）が入り込み、酵素の構造を変化させ活性を阻害するアロステリック阻害などがあります。このようにして生体内では酵素を失活させ、機能を調節することで代謝を制御しているのです。

食品加工で利用される「失活」

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酵素の失活は食品加工の現場でもよく利用されています。たとえば、果物や野菜などは切ると短時間で断面が茶色く変色してしまいますね。これはポリフェノールオキシダーゼと呼ばれる酵素によって断面のポリフェノールが酸化されるためです。このような酵素による変色を酵素的褐変反応と呼びます。茶色く変色してしまうと見栄えが良くないため、食品加工の現場では熱水で短時間加熱する処理を行うことで品質悪化の原因となる酵素を失活させています（ブランチング）。

その他にも、タンパク質性の有害成分を含む食材は加熱により失活させることで食用にすることが出来ます。きのこ類の毒性成分は加熱により分解するものが多く、通常に食用として流通している「しいたけ」や「まいたけ」などのきのこ類も生食や加熱が不十分な状態で食べると食中毒を起こすので注意しましょう。（食用として流通していないきのこは加熱しても危険です。食べないでください。）

単純なようで奥深い「失活」

今回は酵素の失活について解説しました。機能を失うというとなんだかネガティブな印象な言葉のようですが、反応が進み過ぎないようにする重要な現象のひとつです。加熱によるタンパク質の失活を利用して食材を安全に食べる事もできます。

また、失活は生物化学の研究の分野で機能をもった未知の物質を解析する際にも使用する現象です。たとえば、その物質を加熱してみて活性が失われたら「タンパク質由来の物質である」、失われなかったら「タンパク質以外の物質である」と大まかに判断することがあります。タンパク質の失活は単純な現象に見られがちですが、原理を知っていると様々なことに応用できる奥深い現象なのです。ぜひ学んでみてください。