基質結合には反応速度を高める追加の効果があり、その中でも近接性と方向性が最も明らかな増加をもたらします。酵素-基質結合には2つの特性があります。1つ目は、結合が基質と酵素の活性部位の反応性グループを近づけることです。2つ目は、酵素の活性部位が基質に対して非常に特異的であるため、反応を可能な限り効率的にすることです。酵素-基質相互作用における近接性と方向性は、反応性化学グループを整列させ、反応が起こるための適切な空間関係を持つ最適な方向で結びつけることができます。このように基質が固定されると、酵素反応は運動論的に分子内プロセスのように振る舞います。分子の軌道が整列しているとき、遷移状態の電子エネルギーが最小化されるため、分子は最大限に反応性があると提案されています。2つのグループが向いている非生産的な方法が少ないほど、反応は速くなります。

近接性と方向性効果による反応速度の増加

近接効果は、基質分子が酵素の活性部位に結合する際の方向性と動きを説明し、同等の分子間および分子内反応を比較することで最も容易に観察されます。この近接性と方向性の効果は、試薬の濃度の実質的な増加に類似しており、反応に分子内の特性を与え、劇的な速度の増加をもたらします。単一の分子内で結びついているグループ間の分子内反応は、2つの独立した分子間の対応する分子間反応よりも速いです。速度の違いは3〜4桁のオーダー（分子内>分子間）です。これは主に、分子間反応と分子内反応に伴うエントロピー変化の違いによるものです。分子内反応では反応物のエントロピーが減少し、これは主にその準備プロセス中に発生し、2つの反応物を単一の生成物に統合することで全体のエントロピーの減少を減少させるため、付加反応や移動反応が不利になりにくくなります。遷移状態の形成に関与するエントロピーの減少は、基質が酵素-基質複合体を形成するために結合するという早い段階に移動しました。しかし、分子間反応では生成物の形成には、はるかに大きな平行移動および回転エントロピーの損失が伴います。

図1. 近接効果と方向性効果が反応速度に与える影響。

触媒作用の要件

基質と酵素の活性部位の間の近接が触媒反応が起こることを意味するわけではないと述べられています。酵素は、反応が実際に起こるために基質を特定の方向に活性部位に導く必要があり、これを方向性と呼びます。時間が経つにつれて、方向性は進化し、より効率的で重要なものになりましたが、定量化するのは難しいです。このような反応が起こるための他の要件は、溶媒和の変化や電子の重なり、ならびにファンデルワールス力の克服です。方向性効果とひずみの誘導がこれらの要件を満たすために必要です。

図2. HIVプロテアーゼにおける近接性と方向性の効果。

参考文献

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1. Page M I, Jencks W P. Entropic contributions to rate accelerations in enzymic and intramolecular reactions and the chelate effect. Proc Nat Acad Sci, 1971, 68 (8): 1678-1683.