酵素反応と有機合成

　久しぶりに有機合成の話を書こうと考えたが、普通のものだと面白くなかったので、さっぱりわからない酵素反応を使った有機合成をテーマに今回は書いてみることにした。まず酵素について説明してみよう。

▼ 酵素とは？

　goo大辞林によれば酵素(enzyme)とは「生物の細胞内で合成され、消化・呼吸など、生体内で行われるほとんどすべての化学反応の触媒となる高分子化合物の総称。タンパク質だけまたはタンパク質と低分子化合物とから成る。その種類は多種多様で、化学反応に応じて作用する酵素の種類が異なる。酒・味噌の醸造をはじめ、食品工業・製薬工業に広く利用される。エンザイム。エンチーム。」と説明されている。

　酵素と認識される前から、パンの発酵、酒の製造になどに使われてきただけでなく、生体内でも食物の加水分解や、アルコールの代謝、筋肉の収縮等に欠かせないものである。

参考　Candida rugosa lipase

(入手：Protein Data Bank)

　表１に酵素の分類を示す。酸化還元酵素は「アルコールデヒドロゲナーゼ」等のように酸化還元反応を起こす。転移酵素は特定の原子団(基)を他の基質へ転移する酵素である。加水分解酵素にはデンプンを分解し、食物の消化に関係する酵素「アミラーゼ」、蛋白質を分解する酵素「プロテアーゼ、脂肪を分解する「リパーゼ」等がある。異性化酵素は分子内の化学化学反応を他分子の関与なしに触媒する酵素、合成酵素はＡＴＰなどの高エネルギー-燐酸化合物の加水分解の自由エネルギーを利用して、２つの分子を結合させる酵素である。次に酵素反応の過程についてみてみよう。

分類	酵素名
酸化還元酵素(oxidoreductases)	dehydrogenase , oxidase , reductase
転移酵素(transferases)	actyltransferase , kinase
加水分解酵素(hydrolases)	estarse , lipase , protease
脱離酵素(lyases)
異性化酵素（isomerase）
合成酵素(ligases , synthetases)

表１　酵素の分類

▼ 酵素反応過程

　単純な酵素反応を式で表すと式１、図１のようになる。

　　　　　　　　k1　　　 k2

　　　Ｅ＋Ｓ　⇔ ＥＳ → Ｅ　＋　Ｐ式(１）

　　　　　　　　K-1

Ｅ：enzyme Ｓ：Substance Ｐ：Product

はじめに酵素(E)が基質(S)を取り込み、基質が酵素の活性部位に非共有的に結合した酵素-基質複合体(ＥＳ錯体)が形成される。この段階は可逆的である。次に遷移状態を経て（[Ｅ＋S]^キ）、化学変化を起こし(ＥＰ)、最終的に酵素が生成物を解離し、生成物(Ｐ)ができる。図1を見ると酵素を用いない場合(S^キ)に比べて、活性化エネルギーが小さく、酵素は触媒として働いている。これが酵素反応の

図１　酵素反応

加速化の理由である。詳細な反応機構を知るためには遷移状態、つまり反応中間体を得ることが必要なのだが中間体を得ることは簡単なことではない。実際例としてＸ線解析法の一つであるラウエ法によって、強力な放射光を利用して短時間に多量のデータを得るデータ測定装置を開発し、ミリ秒ごとに酵素と基質の構造変化を見ようとする試みがなされている。

　次に本題である酵素反応を使った有機合成について話してみよう。

▼ 酵素反応と有機合成

　今まで使っていた反応の代わりに、酵素のような生体触媒を使うには、もちろんそれなりの利点がなくてはならない。

【利点】

　・常温、常圧、中性条件といった温和な条件下での反応の加速効果

　通常の反応では反応を加速、進める際に、酸、アルカリ等の触媒を使うか、高温、高圧にする等の方法が考えられる

　がそれらに不安定な化合物の場合、温和な条件ということが求められる。その際に、酵素の場合、常温、常圧、中性

　条件といった温和な条件下で反応を進めることができるので、大きなメリットがある。

　・立体選択性、位置特異性、官能基特異性といった反応の特異性

　これはかなりの利点である。実際、従来の方法では立体選択性を出せなかったものに成功している例も多い。また、

　官能基特異性、位置選択性があることによって、合成反応ではよく用いられている保護基を必要としない場合もある。

　これにより、保護、脱保護といった合成ステップを減らすことができるのでより短段階で目的物を合成することができ

　る。

　・環境にクリーンである

　当たり前のことであるが、ほとんどの酵素が有機溶媒を用いず、水中で反応するので、その分環境にクリーンな反応

　と考えられる。

【欠点】

　・酵素活性の不安定性

　一般に酵素は溶液状態で、特に希釈条件で長時間放置すると、失活する場合が多い。しかも温和な条件下では安定

　であるが、逆に酸、アルカリ、高温に弱くすぐに失活してしまう。しかし、好熱性細菌から得られた酵素は高温でも十分

　な活性を得られるものもある。

　・基質特異性

　元来、酵素は生体、天然基質の反応を最も効率よく進行させるように進化してきた触媒であるから、合成基質に対して

　は活性を示さないものがある。しかし、構造を多少変化させると、作用するようになるものもある。

　・コストが高い

　微生物等の生体内から得られた酵素は大量に得られるものではなく、培養をしなければならない。そこで従来のもの

　よりコストがかかることがある。今までに数千種の酵素が報告されているが、市販されているものは数百種であり、使

　われているものはそのほんの一部である。その点でも酵素を使った有機合成が常用にならない一つの理由である。

　・反応時間が長い

　前述したように基本的に温和な条件下で反応するため、反応を加速させることができず、時間がかかるものが多い。

　酵素は従来の手法にはない多くの利点を持っているが、欠点も多い。欠点をどのように補うかが、酵素を有機合成に常用なものとする大きな鍵となっている。

▼ 酵素有機合成反応の実例

　近年には様々な酵素を用いた有機合成の実例が報告されている。ほんの一部であるが以下に示してみる。

図２　パン酵母立体選択的還元

　図２はパン酵母(Saccharomyces cerevisiase)を使ったケトンのアルコールへの選択的還元の例である。この不斉還元は非常に簡単で誰が行っても同じようによい結果が得られる。さらに光学純度が高く、基質特異性が低い(物質にっよって応用が利くということ)ので合成による利用価値が高い。しかし、反応時間が２～３daysとかなり長いのが欠点である。

図３　２-ブタノールの酵素酸化反応

　図３はラセミ体の２ブタノールの好熱性細菌の一種であるThermoanaerobacter ethanolicus由来の２級アルコール脱水素酵素(ADH：alcohol dehydrogenase)を使った酸化反応であるが、反応時間が２６℃以下ならばＳ体が優先的に反応し、２６℃以上ならばＲ体が選択的に反応する。立体選択性が温度依存している面白い例である。