胃いの 中に ある 胃液いえきは、塩酸えんさんを ふくむ、とても つよい 酸性さんせいの えきです。pH(ピーエイチ)という 数が 1から 1.5ほどです［4］。

この 中で はたらくのが、たんぱくしつを こなす ペプシンです。ペプシンが いちばん はたらくのは、pH2の まわりです。ふつうの 水のような ちゅうせいでは、ほとんど はたらきません［3］。

つまり、酵素こうそには「とくいな ばしょ」が あります。ペプシンは、胃いの ような さんの つよい ところが とくいなのです。

では、なぜ ばしょで はたらきが かわるのでしょう。さきに こたえを 言うと、酵素こうそは 「形」で はたらき、その 形が、まわりの 温度おんどや さんの つよさで かわるからです。

pH1〜1.5の液の中で

胃液は、約0.5%の塩酸を含む強い酸性の液で、pHは1.0〜1.5ほどです［4］。pHは酸性の強さを表す数字で、7が中性、小さいほど酸性が強くなります。

この中で働くペプシンは、たんぱく質を分ける消化酵素です。いちばんよく働くpHは2前後とされ、胃の中のような酸性でよく働き、中性ではほとんど働きません［3］。資料によって1.5や1〜2と幅がありますが、強い酸性が得意という点は共通しています。

胃は、眠った状態でつくる

おもしろいのは、胃が最初から「目覚めたペプシン」をつくるわけではないことです。ペプシンのもとになるペプシノゲンという、働かない型でつくられ、胃液の塩酸がこれを活性化してペプシンにする、と辞典に説明があります［4］。酸性の液が出たその場所で、はじめて働き始めるわけです。

では、酸性か中性かで、酵素の何が変わるのでしょうか。答えを先に言うと、酵素は「形」で働き、その形がまわりの条件で変わるからです。次に、その「形」を見てみます。

胃液は約0.5%の塩酸を含み、pH1.0〜1.5を示す強酸性の液だ［4］。ここで働くペプシンの最適pHは2前後とされ、酸性でよく働き、中性ではほとんど働かない。さらにpH7以上では不可逆的に失活する［3］。最適pHの数値は資料により1.5、1〜2、2前後と幅があるため、本記事では「約2前後」と書く［1］。

注目したいのは、胃自身がペプシンを不活性な前駆体のペプシノゲンとしてつくり、胃液中の塩酸がこれを活性化してペプシンにするという点だ。ただし、活性化の細部は辞典の記述の範囲にとどまる［4］。ペプシンは、胃壁の細胞の中ではなく、酸性の胃液の中で初めて働く酵素ということになる。

体内の多くの場所は中性付近で、ヒトの酵素の最適pHも通常はpH7付近だが、ペプシンのように大きく違う例がある［1］。酵素の「得意な条件」は、働く場所の環境に合っているのだ。ではその得意不得意は、酵素の何で決まるのか。それを決めるのが、酵素の形だ。

酵素こうそは、たんぱくしつで できて います。ひとつひとつが、おりたたまれた 形を して いて、その 表面に、小さな くぼみが あります［1］。

このくぼみに ぴったり 合う ものだけが、中に 入り、かわります［1］。手に ぴったりの 手ぶくろに、手が 入る ところを 思いうかべてください。くぼみは 手ぶくろ、入る ものは 手です。

ただし 本当は、酵素こうそは かたい 鉄の かたでは ありません。1958年に、コシュランドと いう 人が、入る ものに 合わせて 酵素こうその 形が すこし かわる、という 考えを 出しました［2］。手を 入れると、手ぶくろが なじむ ような ものです。

だから、形が くずれて しまうと、ものが 入れなくなって、酵素こうそは はたらけません。

くぼみに合うものだけが入れる

酵素は作用する相手を選ぶ性質をもち、これを基質特異性と呼びます。酵素の表面のくぼみに合った相手（基質）だけが、奥にある活性中心まで導かれて、反応が進みます［1］。

活性部位は、基質と結びつく部分と、反応を進める部分からできています［2］。ペプシンも、たんぱく質を分けるために、こうしたくぼみの形を使っています。

鍵穴より、少しやわらかい

以前は「鍵と鍵穴」にたとえられましたが、1958年にコシュランドが「誘導適合」を提案しました。基質が入ると、酵素の形が変わって、ぴったり合うようになる考え方です［2］。

ここで大切なのは、酵素には「ほどよいやわらかさ」があることです。固すぎれば合わせられず、ゆるみすぎれば形を保てません。条件が変わってこのバランスが崩れると、働きも変わります。まず温度から見てみましょう。

酵素は、特定の基質だけを選ぶ基質特異性をもつ。表面のくぼみに合った基質のみが、奥の活性中心へ導かれ、反応が起こる［1］。活性部位は、基質と結合する結合部位と、反応を進める触媒部位からなる［2］。

かつては「鍵と鍵穴」の比喩が用いられたが、1958年にコシュランドが誘導適合モデルを提案した。基質が結合するにつれて活性部位の形が変化し、基質を完全に受け止めるまで調整が続く、という考えだ［2］。「鍵と鍵穴」だけで説明すると、酵素を固い型のように誤解させる。酵素は、変形できる柔軟さをもつ。

この柔軟さは、利点であり弱点でもある。形が変われるから基質に合わせられるが、条件が大きく変われば、働きに必要な形そのものが保てなくなる。だから、温度とpHが影響を与えるのだ。まず温度から考える。

ヒトの 酵素こうそが いちばん よく はたらくのは、35〜40度ごろです。からだの 温度おんどに ちかいです［1］。

温度おんどが あがると、はじめは はたらきが つよく なります。けれども、ある 温度おんどを こえると、はたらきが おちます。形が ほどけて しまうからです［2］。

形を たもつ ものは、小さな 力で くっつく たくさんの 場所です。マジックテープが たくさん くっついて いる ところを 想ぞうして ください。ねつが つよいと、そのテープが はずれて、形が くずれる。教科書では ふつう、そう せつめいされて います。

ただし、酵素こうそに よって、ねつで 形が くずれやすい ものと、くずれにくい ものが あります。「何度で かならず はたらかなく なる」と 決める ことは できません［2］。

さむい ときは、はたらきが ゆっくりに なる だけで、あたためれば もどる、と いわれます。あつさで 形が くずれる ことと、さむさで ゆっくりに なる ことは、べつの 話です。

最初は速くなり、あるところから落ちる

酵素の働きは、温度が上がるにつれて最初は強まります。ところが、ある温度を超えると、構造がほどけて（変性）、働きを失うことがあります［2］。ヒトの酵素の場合、いちばんよく働く温度（最適温度）は、体温に近い35〜40℃付近とされます［1］。

形を支えているのは、弱い結合

教科書では一般に、酵素の形を保っているのは水素結合などの弱い結合で、熱でこれが切れると活性部位の形が変わり、基質が入れなくなる、と説明されます。マジックテープがたくさんついた状態をイメージすると、近いでしょう。ただし、実際の結合の種類や数は酵素ごとに違います。

条件が大きく変わると、立体構造が元に戻らないほど変わり、失活することがあります［2］。失活する温度は酵素ごとに違い、「60℃で必ず壊れる」とは言えません。次の章に出るTaqのように、熱に強い例外もあります。

寒いときは、どうなるか

低温では反応が遅くなるだけで、酵素そのものは壊れにくく、温めれば活性が戻る、と説明されます。熱による変性とは別のことです。なお、最適温度は、酵素がいちばん長持ちする温度とは限りません［1］。

酵素の活性は、温度の上昇とともに初めは高まる。しかし一定の温度を超えると、立体構造が崩れる変性が起こり、活性が失われることがある［2］。ヒトの酵素の最適温度は通常、生理的温度の35〜40℃付近とされる［1］。

では、なぜ高温で形が崩れるのか。教科書では一般に、形を保っている水素結合などの弱い結合が熱で切れ、活性部位の形が変わって基質が結合できなくなる、と説明される。条件が大きく変わると、構造が元に戻らないほど変わり、失活することもある［2］。

注意したいのは、最適温度と「いちばん長持ちする温度」は同じではないという点だ［1］。温度が上がると化学反応そのものは速くなる。しかし、同時に変性も進む。最適温度は、この二つの兼ね合いの結果の一点であり、全部の酵素が37℃前後で最も働くわけではない。失活する温度も酵素ごとに異なり、次章のTaqは耐熱性の高い例外にあたる。

低温はどうか。低温では反応が遅くなるだけで、酵素は壊れにくく、温めれば活性が戻る、とされる。高温の変性とは別の現象だ。冷凍で必ず壊れるとは限らず、一般論にとどめる。

さんの つよさ(pH)も、温度おんどと おなじ ように、形に かかわります。

たんぱくしつは、小さな つぶが たくさん つながって できて います。その つぶの 一部は、水に 入ると、もっと 小さな つぶ（すいそイオン）を うけとったり 手ばなしたり して、電気を おびる ぐあいが かわります。すると、形を ささえる 力が みだれる、と いわれます。

だから、酵素こうそごとに、ちょうど よい pHが ちがいます［1］。

ヒトの 体の 中では、ふつう 7ごろの ちゅうせいが よい 酵素こうそが 多いです。けれども、ペプシンは 2ごろ、トリプシンは 8から 9ごろ、アルギナーゼは 9.5ごろと、ばらばらです［1］。

それぞれが、はたらく 場所の pHに 合って います［1］。

水素イオンのやりとりで、電気の性質が変わる

酵素を作っているアミノ酸の一部は、水素イオンを受け取ったり手放したりします。すると、その部分の電気（電荷）の状態が変わります。形を支えるイオン結合や水素結合が乱れたり、働きに必要な部分が特定の電荷の状態であることが必要だったりする、と大学の講義資料などでは説明されます。

得意なpHは酵素ごとに違う

ヒトの体内では、通常pH7付近が最適とされます。しかし、ペプシンは1.5〜2、トリプシンは8〜9、アルギナーゼは9.5と、酵素ごとに違います［1］。資料により数値に幅がある酵素もあるため、「約」をつけて読みます。

多くの酵素は、それぞれが働く場所の生理的なpHで、いちばん激しく活動します［1］。胃のペプシンが酸性向き、小腸などで働く酵素がより中性寄りなのは、場所に合わせてきた結果と考えられます。また、最適pHは「いちばん安定するpH」とは限りません。

ここまで、熱とpHが酵素の形を変えることを見てきました。それなら、熱に極端に強い酵素はいないのでしょうか。いました。しかも、それはDNA検査を支えています。

pHの影響は、酵素の側鎖の電荷を通して現れると説明される。グルタミン酸、アスパラギン酸、リシン、アルギニン、ヒスチジンなどの側鎖は、水素イオンを受け取ったり手放したりして電荷が変わる。その結果、形を支えるイオン結合や水素結合が乱れる。また、触媒作用に必要な基が特定の電荷状態にあることも条件となる。これは教科書で一般に示される説明だ。

実際の最適pHは酵素ごとにばらつく。ヒトの体内では通常pH7付近だが、ペプシンは1.5（資料により1〜2）、トリプシンは約8（資料により9前後）、アルギナーゼは9.5とされる［1］。数値は表記に幅があるため、およその値として読む。

この多様さは、働く環境と対応している。ほとんどの酵素は、それぞれの環境の生理的pHで活動がもっとも激しくなる［1］。胃のpH1〜1.5と、中性の組織との間には、pH6〜7ほどの開きがあり、同じ酵素が両方で働くのは難しい。なお、最適pHは最も安定するpHとは限らない。

形を保つ結合が、熱やpHの影響を受けるなら、熱に強い酵素は、その結合を多くもつのか。この疑問が、温泉の話につながる。

アメリカの イエローストーンと いう ところに、75度ほどの 温泉おんせんが あります。1966年、ここで、あつい 水を このむ 細きんが 見つかりました［5］。

この 細きんの もつ 酵素こうそは、Taq(タック)と よばれます。いちばん はたらく 温度おんどは 72度ごろで、PCRで つかう 95度の ねつにも、みじかい あいだなら たえます［5］。

この 力が、PCR(ピーシーアール)と いう、DNAを ふやす ほうほうで やくに 立ちます。PCRでは、90度よりも 高い 温度で DNAを ほどく ところから はじめます［6］。ふつうの 酵素こうそなら、そこで はたらけなく なります。でも Taqは たえるので、毎かい 足さなくて すみます。ただし、とても 長い 間 ねつに さらすと、Taqも だんだん よわります［6］。

こうした ねつに 強い 生きものの なかには、いちばん よく そだつ 温度が 41〜122度の 間に 入る ものが います［7］。

ねつに 強い わけは、形を ささえる 小さな 力が、たくさん ある からと 整理されて います。酵素こうその 中には、ねつで 形が くずれやすい ものと、くずれにくい ものが あり、Taqは くずれにくい ほうの なかまです。ただし、ねつに 強い 酵素こうそは、ふつうの 温度おんどでは はたらきにくい、という むずかしさも あります。

1966年、イエローストーンの温泉で

Taq DNAポリメラーゼ（以下Taq）は、1966年にアメリカのイエローストーンの温泉（約75℃）で見つかった好熱菌、Thermus aquaticusに由来するとされます。最適温度は72℃付近で、PCRの短い95℃の処理にも耐えて活性を保ちます［5］。最適温度は資料により72℃や75〜80℃と割れるため、「70℃台」と読みます。

酵素そのものが取り出されたのは1976年で、大学院生のアリス・チェンらによるとされます。95℃に置き続けると活性が半分になるまで約40分で、「どれだけ熱くても壊れない」わけではありません［6］。

熱を使う検査に、熱に強い酵素

PCRは、90℃を超える温度で二本鎖のDNAをほどく操作をくり返します。耐熱性のない酵素は、そのたびに働きを失うため、毎回足す必要があります。Taqなら毎回足さずにすみます。ただし、高温に長くさらすと活性は下がります［6］。温泉の細菌の酵素が、PCRでDNAを増やす工程を支えているのです。

好熱菌は、最適な生育温度が41〜122℃の範囲に入るものが知られ、80℃以上で最もよく育つものは超好熱菌と呼ばれます。122℃は2008年の研究によるものです［7］。

なぜ熱に強いのか

形を支える結合（イオン結合、水素結合、疎水性相互作用など）が、全体として多いからと整理されています。ただし、耐熱性の高い酵素は最適温度も高く、常温では使いにくいという産業上の課題もあります。

Taq DNAポリメラーゼは、1966年にイエローストーンの温泉（約75℃）で見つかった好熱菌Thermus aquaticus（テルムス・アクアティクス）に由来するとされる。最適温度は72℃付近で、PCRの短い95℃の処理でも活性を保つ［5］。最適温度は資料により72℃や75〜80℃と食い違うため、「70℃台」と記す。酵素そのものの単離は1976年のチェンらの報告とされ、95℃での半減期は約40分だ。つまり「壊れない」のではなく、短い高温処理をくり返しても活性が残る、という意味になる［6］。

この性質がPCRで効く。PCRは90℃超で二本鎖DNAをほどくため、通常の酵素ならそのたびに失活し、毎回補充が要る。耐熱酵素なら毎回酵素を足さずに済む。ただし高温に長くさらせば活性は下がる［6］。発見の年と単離の年は別であり、発見から酵素の単離までに10年がかかっている。

好熱菌には、最適生育温度が41〜122℃の範囲に入るものがおり、80℃以上のものを超好熱菌と呼ぶ。122℃の記録は2008年の研究による［7］。

耐熱性の理由は、イオン結合・水素結合・疎水性相互作用・ファンデルワールス力などの総和が大きく、形が崩れにくいためと整理される。個々の酵素で何が主因かは、酵素ごとに調べる問題だ。また、耐熱性の高い酵素は最適温度も高く、常温では使いにくいという産業側の課題がある。

ペプシンの酸への強さも、Taqの熱への強さも、酵素の形が保たれる条件と結びつけて考えられる。ほかの酵素は、どんな条件が得意なのだろうか。

ペプシンは 胃い、Taqは あつい 温泉おんせんが とくいでした。ほかの 酵素こうそは どうでしょう。

おうちの 人と、本や 図かんで、「くちの 中の つばで はたらく 酵素こうそ（アミラーゼ）」と「小ちょうで はたらく 酵素こうそ（トリプシンなど）」の 名前を 見つけて、いちばん はたらく pHが どうちがうか、くらべて みましょう。

ノートに、酵素こうその 名前、はたらく ばしょ、とくいな 温度や pHを 書くと、なぜ その ばしょで はたらくのかが、見えて きます。

酵素の名前を一つ選び、「どこで働くか」「得意なpHと温度はいくつか」「その場所の環境と合っているか」を調べると、今回の話が自分のものになります。

たとえば、だ液で働くアミラーゼと、小腸で働くトリプシンなどの最適pHを、図書館の生物の本などで調べて比べます。胃のペプシンが約2前後、トリプシンが8〜9前後だったことと、働く場所の環境を並べて考えると、「得意な条件は場所に合っている」という見方が確かめられるはずです。

最適温度やpHの数字は、資料によって幅があります。数字を比べるときは、どの資料の、どんな条件の値かをメモしておくと、あとで見直しやすくなります。

この記事の数値には、資料によって幅がある。Taqの最適温度（72℃と75〜80℃）、ペプシンやトリプシンの最適pHがその例だ。数値を比べるときは、どの資料の、どんな条件の値かを見るとよい。

確かめる道すじは二つある。一つは、教科書や参考書で、酵素の最適温度・最適pHの図を探し、ペプシンとトリプシンの山の位置を比べることだ。もう一つは、原典に当たること。1976年のチェンらの報告や、PCRを開発したマリスの講演など、この分野を切りひらいた人たち自身の文章を探してみると、教科書にはない当時の手さぐりが見えてくる。

次の問いも残る。温度の上昇による反応速度の増加と、変性による失活は、最適温度をどう決めているのか。酵素ごとに、どの結合が耐熱性を決めているのか。