ｼﾞﾑ・ｱﾙ=ｶﾘｰﾘ、ｼﾞｮﾝｼﾞｮｰ・ﾏｸﾌｧﾃﾞﾝ 「量子力学で生命の謎を解く」ﾒﾓ
ｼﾞﾑ・ｱﾙ=ｶﾘｰﾘ、ｼﾞｮﾝｼﾞｮｰ・ﾏｸﾌｧﾃﾞﾝ「量子力学で生命の謎を解く」ﾒﾓ
第3章 生命のエンジン第3章 生命のエンジン
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【まとめ】
・酵素の作用は化学的な「触媒作用」の一で、消化、呼吸、光合成、代謝も担う生命のエンジン。
・酵素反応には粒子の量子トンネル効果が関わっている。
・トンネル効果のような量子効果が、細胞のなかで持続するのが明らかになったのは驚くべきこと。
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・酵素は生命のエンジン。・あらゆる生命は酵素に頼っている。
・身体のなかの１個１個の細胞は、何千という分子マシン（酵素）で満たされていて、それらが生体分子の組立と再利用のプロセス、生命と呼ぶプロセスを、絶えず手助けしている。
・酵素の仕事は、本来ならあまりに遅いさまざまな生化学反応を加速させる（「触媒する」）こと。
・細胞のなかの酵素は、細胞内の何兆個もの生体分子を絶えず何兆個という別の生体分子へ変換することで生命を生かしつづけている、「代謝」というプロセスを加速している。
・コラーゲンは、動物の体内にもっとも多く存在するたんぱく質。
・分子の糸のように組織内部や組織と組織のあいだに編み込まれ、身体を一つにまとめている。
・ほかのたんぱく質と同じく、「アミノ酸」という基本構成部品が連なってできている。
・アミノ酸はおよそ２０種類ある（グリシン、グルタミン、リジン、システイン、チロシンなど）。
・１個のアミノ酸分子は、１０～１５個程度の炭素、窒素、酸素、水素、硫黄の原子から成る。
・それらは化学結合で結びつき、それぞれ特徴的な３次元構造を形作る。
・アミノ酸分子が、ビーズを糸に通したように何百とつながり、たんぱく質を作る。
・隣り合ったビーズどうしは「ペプチド結合」によりつながり、一方のアミノ酸の炭素原子と隣のアミノ酸の窒素分子とが結合する。
・ペプチド結合は”きわめて強い”。
・コラーゲンはとくに強度の強いたんぱく質。
・このたんぱく質が３本束になってねじれ、太いロープ、「繊維」になっている。
・この繊維が組織の中を貫き、細胞どうしを縫い合わせている。
・筋肉と骨をつなぐ腱や、骨と骨をつなぐ靱帯にも含まれている。
・繊維が密に張り巡らされたネットワークを「細胞外マトリックス」といい、我々の身体は基本的にそれにより１つにまとまっている。
・組織が破壊されると、細胞外マトリックスも損傷を受けたり、壊れたりする可能性がある。
・動物の身体は、コラゲナーゼという酵素を使い細胞外マトリックスの壊れた部分を切り取り、別の酵素を使い組織を修復できる。
・動物は成長とともに細胞外マトリックスをつねに作り替えなければならない。
・おたまじゃくしの尾は、徐々に身体のなかに吸収されその肉が再利用され、カエルの新たな四肢となる。
・この変化の際、尻尾の構造を支えていた、細胞外マトリックスを速やかにばらし、新たに作られる四肢のなかで組立直す必要がある。
・コラーゲン繊維は容易に壊れないため、酵素コラーゲナーゼの出番となる。
・酵素の作用は化学的な「触媒作用」の一つ。
・触媒が反応物（反応に関与する原料の物質）と異なるのは、反応を加速させる手助けをするだけで、自身は反応には関わらないし変化もしない点。
・あらゆる動物や微生物は、どんな活動をおこなう際にも、コラゲナーゼを含め何百万種類という酵素に頼っている。
→生命のエンジン
・触媒はそれぞれ多種多様なメカニズムで作用する。
・大部分は、触媒がどのようにして反応を加速させるのかを単純な形で説明した「遷移状理論」を使ってとらえることができる。
・反応を加速させるにはなぜ触媒が必要なのか？
答え：身の回りによく見られる化学物質のほとんどは、かなり安定で反応性が低いから
・一般的な化学物質が安定なのは、物質のなかでつねに起きている分子の激しい動きでも結合がめったに切れないから。
・反応物分子が生成物へ変換するには、生成物とのあいだにそびえる山の頂上を越えなければならないとイメージできる。
・その山の「斜面」を登るのに必要なエネルギーは熱により与えられ、それにより原子・分子の運動が加速され、より速く運動・振動するようになる。
・その分子の衝突により、分子のなかで原子どうしをつないでいた化学結合が切れ、新しい結合が作られる。
・ありふれた安定な分子は、原子どうしが強い結合で結ばれており、周囲の分子の激しい動きにも持ちこたえられる。
・安定な分子でも、十分なエネルギーを与えられれば分解することがある。
・そのエネルギー源は、分子の運動を加速させる熱。
・化学物質を加熱すれば、結合が切れる。
・反応物を生成物へ変換するもう一つの方法。
・乗り越えなければならないエネルギー障壁を低くするやり方。
・触媒はそれを行っている。
・触媒はエネルギーの地形を変えることができる。
・触媒がなかった場合よりもずっと速く基質（もとの化学物質）が生成物へ変化し、反応が大幅に加速する。
＜酵素コラゲナーゼがない状態でコラーゲン分子が分解する際の反応＞
・ペプチド結合は、窒素原子と炭素原子が共有する電子のペアから成る。
・共有されているこの負の電荷を持つ電子が、結合の両側の原子に含まれる正に帯電した原子核を引き寄せることで、電子の糊として作用する。
・それによりペプチド結合の原子どうしを結びつける。
・ペプチド結合が安定なのは、共有されている電子どうしを引き離して結合を切るには高い「活性化」エネルギーが必要だから。
・結合がひとりでに切れることはなく、周囲にある水分子１個の手助けを借り、「加水分解」というプロセスをたどる必要がある。
・加水分解が起きるためには、水分子がペプチド結合のそばまで近づき、もっている電子の１個をペプチド結合に関与している炭素原子に渡し、水分子をその場につなぎ止める弱い結合を新たに作らなければならない。
・この中間段階を遷移状態と呼ぶ。
・ペプチド結合を切るには、この不安定なエネルギーの山を登る必要がある。
・水分子が与えた電子はペプチド結合の隣の酸素原子のところまで伝わり、この酸素原子は余分な電子を手に入れて負に帯電する。
・電子を与えた水分子は、遷移状態では全体的に正の電荷を帯びる。
・水分子が正に帯電したのは、電子を失ったからではなく、裸の水素原子、陽子を含んでいるからと考える。
・正に帯電した陽子は、水分子のなかだけに留まることはなく、量子力学的な意味で「非局所化」する。
・依然として水分子に属しているが、ときどきもっと遠くの、ペプチド結合の反対側にある窒素原子に近いところまで飛び移る。
・この位置に飛び移ってきた陽子は、ペプチド結合の電子の１個を引き剥がし、結合を切ることができる。
・それはふつうは起こらない。
・遷移状態はきわめて寿命が短く、不安定で、ちょっとした「邪魔」が入っただけで元に戻ってしまうから。
・酵素がある場合、遷移状理論より、触媒はペプチド結合切断などの化学プロセスを加速させるため、遷移状態をより安定化し、最終生成物が生成するチャンスを増やす。
・コラゲナーゼはほかの酵素と同じく正確な構造を持ち、分子のなかですべての原子が決まった位置を占める。
・周囲のでたらめに動く分子とは対照的に、美しく正確な分子のダンスを踊りながら、コラーゲン繊維に巻きつき、らせんをほどき、アミノ酸どうしをつないでいるペプチド結合を正確に切り、いったん離れて横へ移動し、隣のペプチド結合を挟みこむ。
・分子レベルのナノマシンは、何百万もの自然選択により一つ一つの動作が正確に組み立てられ、入念に振り付けされたダンスを踊りながら、物質の基本粒子の動きを操っている。
・酵素の活性部位では、不安定な遷移状態でペプチド結合が保持されている。
・基質と酵素とで共有している電子が作る弱い化学結合により基質がつなぎ止められている。
・この結合により、基質は酵素の顎の作用で切断されるのにちょうどいい場所に固定されている。
・酵素の顎が閉じると、触媒作用が起きる。
・標的であるペプチド結合が来る位置の真下に、正に帯電した亜鉛原子がある。
・酵素の活性部位を顎に見立てると、この亜鉛原子は二本ある門歯のうちの一本にあたる。
・この陽イオンが基質の酸素原子から電子をもぎ取ることで、遷移状態を安定化し、エネルギーの地形を変えている。
・それ以降の仕事は、この酵素が持つ二本目の門歯がおこなう。
・酵素自体が持つグルタミン酸というアミノ酸で、標的のペプチド結合の頭上から負に帯電した酸素原子がぶら下がる構造をしている。
・この酸素原子が、固定された水分子から正に帯電した陽子をむしり取る。
・その陽子を、標的のペプチド結合の片隅にある窒素原子に与える。
・それにより窒素原子が正の電荷を帯び、ペプチド結合から電子を奪い取る。
・化学結合の糊の役割を果たす電子が奪われると、結合は弱くなり切れる。
・コラーゲナーゼがペプチド結合の切断を加速させる能力には、触媒機構が関係しているが、それらは量子力学には頼っていない。
・最近まで、標準的な遷移状理論と中間の遷移状態の寿命を延ばすさまざまなプロセスのモデルにより、酵素の働きをうまく説明できるとされていた。
・知られているすべての要素を考慮に入れたところ、疑問が浮かび上がった。
＜疑問１＞・ペプチド結合の切断反応を加速させるそれぞれのメカニズムにより反応速度は１００倍加速することが明らかになった。
・すべてのプロセスの倍数を掛け合わせても反応速度は１００万倍にしかならない。
・理論値は実際の酵素の加速係数（１兆倍）に比して小さい値であり、理論と現実に大きな開きがある。
＜疑問２＞・活性部位から遠く離れた位置のアミノ酸が置き換わっても酵素の能力が劇的な影響を受ける。
・標準的な遷移状理論の枠組みでは謎のまま。
・量子力学を考え合わせると理屈が通るようになる。
＜疑問３＞・遷移状理論では、実際の酵素と同じようにうまく機能する酵素を人工的に作ることは実現していない（「作ることができないものは理解したことにならない」ーリチャード・ファインマン）。
・まだ酵素の働きを理解していない。
・酵素は分子内や分子間で１個１個の原子や陽子や電子を操っている。
・酵素の重要な働きの一つが、基質分子のなかで電子をあちこちに移動させること。
・電子は一つの分子から別の分子へ飛び移ることもできる。
・電子移動反応として「酸化」と呼ばれるプロセスがある。・酸化は、供与体分子から受容体分子への電子の移動にほかならない。
・石炭の燃焼や内燃機関は、電子のエネルギーを利用する仕掛けとしては効率が悪い。
・自然は、呼吸というプロセスによりこのエネルギーを利用する、はるかに効率的な手段を発見した。
・息をすることは、全細胞のなかで進行する複雑で秩序正しい分子プロセスの、最初の段階（酸素の供給）と最後の段階（二酸化炭素の排出）の組み合わせにすぎない。
・そのプロセスは「ミトコンドリア」（複雑な細胞小器官）のなかで行われる。
＜ミトコンドリア＞・大きい動物のなかに閉じこめられた細菌の細胞のように見え、膜や独自のＤＮＡなど内部構造を持つ。
・数億年前、動物や植物の細胞の祖先のなかに共生した細胞から進化し、その後、独自に生きる能力を失ったもの。
＜呼吸のしくみ＞
①炭素でできた燃料（食物から得た養分）を燃焼させる。（炭水化物は消化器官の中で分解されグルコースなどの糖になり、それが血流に乗りエネルギーを必要としている細胞に送られる）
②糖を燃やすのに必要な酸素は、肺から血液により同じ細胞に届けられる。
③分子内の炭素原子の再外殻の電子が、ＮＡＤＨと呼ばれる分子へ移動する。
④その電子は、細胞のなかにある「呼吸鎖」上を酵素から酵素へと手渡しされていく。
⑤電子は移動の各段階ごとにより低いエネルギー状態へ落ち、酵素はそのエネルギー差を使い陽子をミトコンドリアから外へくみ出す。
⑥ミトコンドリア内外での陽子の濃度差を使い、ＡＴＰアーゼと呼ばれる別の酵素が駆動し、ＡＴＰという生体分子を合成する。
＜ＡＴＰ＞・あらゆる細胞にとってきわめて重要な分子で・エネルギーの電池のように細胞のなかを簡単に運ぶことができる。
・身体を動かしたり作ったりするなど、大量のエネルギーを必要とする活動にパワーを供給する。
・呼吸酸素のポンプは、ミトコンドリアから外へ陽子を汲み出す。
・その陽子がなかへ戻ってくるときに、タービンに相当する酵素であるＡＴＰアーゼがパワーを得る。
・そのタービンの回転がさらに別の一糸乱れぬ分子運動を引き起こすことで、酵素のなかにある分子に高エネルギーのリン酸基を結合させ、ＡＴＰを作り出す。
・電子のエネルギーを少しずつ捕らえることより、酸素へ直接移すよりも全体のプロセスの効率がはるかに良くなり、廃熱として失われる分もきわめて少なくなる。
・呼吸の鍵となる作用は息をすこととは関係なく、細胞のなかにある呼吸酵素が秩序正しく電子を受け渡していくことで成り立つ。
・酵素から酵素への電子移動は、数十オームストロングの距離（原子何個分に相当）で起こり、電子のジャンプでは起こりえないと考えられていた距離の相当する。
・呼吸酵素はどのようにして、そのような長距離で電子を素早く効率的に移動させることができるのかが呼吸の最大の謎。
・電子移動のプロセスはおもに熱エネルギーにより推進されると考えられたが、温度を１００Ｋ以下に下げても、電子移動の速度はそれより下がらなかった。（絶対零度から３５度上（摂氏ー２３８度）まで一定のまま） ↓電子移動のメカニズムは「古典的な」電子のジャンプだけによるものではなく、量子トンネル効果というプロセスに隠されている。
＜量子トンネル効果＞
・音が壁を通り抜けるの同様、乗り越えられそうにない障壁を粒子が簡単にすり抜けてしまうという量子プロセス。
・「障壁」とは、十分なエネルギーがないと物理的に通過できない空間領域・古典的なニュートン力学では、ボールが障壁を通過するには、エネルギーの山を乗り越えるだけの十分なエネルギーを持たなければならない。
・ボールが電子で、山が反発力によるエネルギー障壁だとすると、電子は波動として、もっと効率の良い別の方法で障壁をすり抜ける確率が少しだけある。
→これが量子トンネル効果。
・軽い粒子ほど容易にトンネルできる。
・量子トンネル効果は、物質粒子が広がった波動のような性質を持つために起きる。
・膨大な数の粒子からなる物体がトンネルを通過するには、コヒーレントと呼ばれる状態、「同調」した状態を保たなければならない。
・コヒーレント：すべての構成粒子の波動的性質が山や谷を一致させ歩調を合わせた状態
・デコヒーレント：多数の量子派が瞬時に歩調を乱し、全体のコヒーレントな振る舞いが消し去られ、物体が量子トンネル効果を起こす能力を失うプロセス。
・大きい物体は何兆個という原子から成り、コヒーレントな波動として振る舞うことができないため、量子トンネル効果を起こさない。
・高温ではトンネル効果を起こさずに分子の振動エネルギーだけで障壁を飛び越えられる。
・温度が下がると振動エネルギーだけでは酵素反応が起きるには不十分。
・低温では電子がエネルギーの斜面の途中に位置する状態へ上がり、そこでは斜面の麓に比して通過しなければならない距離が短いため、量子トンネル効果により障壁をすり抜ける確率が大きくなる。
・きわめて低温でも電子は量子トンネル効果によって移動する。
・陽子や原子などもっと大きい粒子も、生物系ではトンネル効果をおこせるのか？
・酵素反応では比較的重い粒子も量子トンネル効果を起こせる。
・反応速度があまり温度に依存しないいくつかの化学反応には、陽子のトンネル効果が関係している。
・生命は、量子世界の基準からすれば高温で活動している。
・酵素による陽子の移動は、非量子的メカニズムにより起きると考えられていた。
・酵素反応で陽子のトンネル効果が起きている直接的証拠が示された。
・陽子のトンネル効果は生物学全体でももっとも重要で広く用いられているメカニズム。
・速度同位体効果と呼ばれる巧妙な手法により陽子のトンネル効果が起きていることが裏付けられた。
＜速度同位体効果＞
・物体の重さが違えばその物体の動かしやすさは変わる。
・その変わり方はどんなたぐいの運動を考えるかにより違う。
・一種類の元素に属する原子は互いに重さの異なるグループに分けられる。
・水素は原子核に陽子を１個、ヘリウムは２個、リチウムは３個もつ。
・原子核に中性子が追加されると、その原子はより重くなり、物理的特性が変化する。
・水素の通常の同位体：もっとも軽く、１個の陽子と電子から成る。
・もっとマレにしか存在せず、もっと重い二種類の同位体。
・元素の化学的性質は原子に含まれる電子の数でほぼ決まる。
・同位体は、まったく同じではないが、きわめて似た化学的性質を示す。
・速度同位体効果は、軽い同位体から重い同位体へ替えたときに化学反応の様子がどれだけ大きく変化するかを測定するもの。
・効果の大きさは、重い同位体のときに測定された反応速度と、軽い同位体のときの反応速度との比として定義される。
・原子の重さが変わったときに反応速度が変化するかどうかは、反応物が生成物へ変換されるときのルートにより変わる。
・大きな速度同位体効果を示すメカニズムの一つが量子トンネル効果。
・トンネルしようとする粒子の質量にきわめて大きな影響を受ける。
・質量が大→粒子の振る舞いは波動的でなくなる→エネルギー障壁をすり抜けられる可能性が低くなる
・水素から重水素へ替えることで原子の質量を２倍にすれば、量子トンネル効果が起きる確率は大きく下がる。
・大きな速度同位体効果が観測されれば、その反応のメカニズム、すなわち反応物から生成物へ至るルートに量子トンネル効果が関係していることの証拠になる。
・もし量子トンネル効果が関係していれば、その反応は同時に奇妙な温度依存性も示すはず。
・低温では反応速度が一定になるはず。
・酵素ＡＤＨでそのような温度依存性が発見され、この反応メカニズムに量子トンネル効果が関係していることの強力な証拠を得た。
・酵素がどのようにして量子コヒーレント状態を維持してトンネル効果を促しているかは議論されている問題。
・酵素は反応中つねに振動している。
・この振動は「駆動運動」であり、原子や分子どうしを十分に接近させそこに含まれる粒子（電子や陽子）に量子トンネル効果を起こさせることかもしれない。
・トンネル効果のような量子効果が、細胞という激しく動き回る分子の海のなかで持続するのが明らかになったのは驚くべきこと。
・生命は量子の世界の利点を生かす特別な手段を用いて細胞を働かせている。
・生命はどのようにして、デコヒーレンスを食い止めているのだろうか？
・それは量子生物学最大の謎。
