酸塩基触媒作用では、化学反応は酸または塩基の添加によって加速され、酸や塩基自体は反応中に消費されません。プロトン移動は酵素が行う最も一般的な反応です。プロトン供与体および受容体、すなわち酸と塩基は、遷移状態で発生する電荷を安定化させるためにプロトンを供与または受容することがあります。これにより、求核基および求電子基が活性化されたり、脱離基が安定化されたりする効果が一般的に見られます。多くの酸塩基触媒反応にはヒスチジンが関与しており、これはpK_aが7付近であるため、酸および塩基の両方として機能することができます。

酸塩基触媒作用の特徴

酵素反応の大部分、すなわち生命が依存する化学反応は、水中で「生理的」条件、pH7付近で行われます。しかし、これは通常、化学反応が最も遅くなる条件です。反応性化合物は、強酸または強塩基を加えることでin vitroで容易に加水分解されます。しかし、これは酵素にとって実用的な方法ではありません。タンパク質は強酸や強塩基の存在下で変性してしまうからです。それにもかかわらず、酵素による触媒作用についての私たちの考え方は、in vitroでの酸塩基触媒作用の理解に基づいています。

酸塩基触媒作用は、図1に示すpH–速度プロファイルによって説明されます。3つのプロットは、水中でほとんどの基質がほとんどの種類の反応を受ける際の挙動を代表しています。下の曲線（I）は、典型的な反応性の低い化合物のin vitroでの反応を表しており、酸および塩基触媒反応のみを示し、pH7付近の最小値では反応速度が非常に遅くなります。最も反応性の高い化合物では、追加の特徴（曲線II）としてpH非依存領域が現れ、中性付近で水との非触媒反応が酸・塩基触媒反応よりも速くなります。最後に、曲線IIIは典型的な酵素触媒反応のpH–速度プロファイルであり、他のものよりもはるかに速く（縦軸の切れ目で示される）、また質的にも大きく異なり、速度がpH7付近で最大に達します。酵素はpH7付近で機能するように「設計」されており、この領域でpH最適値を示し、pHが高くても低くても速度が低下します。

図1. 特異的酸塩基触媒作用と酵素触媒作用の比較。（Kirby A J. 2001）

高pHおよび低pHでの酸・塩基触媒反応は、酵素による触媒作用には直接関係しません。これらは通常、基質が迅速な前平衡でプロトンの付加または除去によって活性化され、その後、共役酸または塩基の速度決定反応が続きます。

酸塩基触媒作用の機構

基質が十分に反応性（求電子性）であれば、プロトン化による活性化は必要なく、中性分子への水の攻撃がpH7付近で速度決定段階となります（図1の曲線II）。形式的には、これにより正電荷と負電荷の両方が発生し、反応が進行するにつれて両者は水素結合ネットワークを介して周囲の溶媒に「非局在化」されます。加水分解反応における求核剤はもちろん水分子です。新たなC–O結合が形成されると、求核性酸素に正電荷が発生し、結合しているOHのプロトンはますます酸性度が高くなり、最終的には一般塩基（gb）として機能し、溶媒和水に移動することができます。同様に、カルボニル酸素に発生する負電荷も水素結合を介して別の水分子に移動し、今度は一般酸（ga）として機能します。この機構は常に利用可能ですが、必ずしも観測可能な速度で反応が進行するとは限りません。

直接反応は、第三の分子を必要としないというエントロピー的な利点があり、カルボキシラートアニオンは適切な条件下でエトキシドよりも良い脱離基を置換することができます。中間体が出発物質よりも反応性が高い限り、加水分解の触媒作用が得られます。この機構は、pK_aが約7の脱離基を持つエステルに対して一般塩基触媒作用と同等に競合し、より良い脱離基を持つ誘導体では優勢となります。

脱離基が不良な場合、プロトン化によって有効にすることができます。基が十分に塩基性であれば完全なプロトン化によって共役酸を形成しますが、ORやOHのような弱塩基性基の場合は部分的なプロトン移動が関与します。この機構は、エステルやアミドのアシル転移反応に関与する四面体付加中間体の分解に関与しますが、容易には観測されません。

酵素中のブレンステッド酸および塩基基

酵素の「触媒機構」は、タンパク質の三次構造によって明確に配置された少数の官能基が集まり、活性部位を形成することで構成されています。関与する官能基は、天然アミノ酸の側鎖に存在するものの一部です。pH7付近の生理的条件下では、pK_aが7の前後1～2以内の弱酸および弱塩基のみが、酸性または塩基性の形で有意に存在できます。したがって、アミノ酸側鎖で利用可能な最も強い酸は2つのカルボン酸ですが、これらはpH7ではほぼ完全にアスパラギン酸およびグルタミン酸アニオンとして存在します（ただし、局所環境によってpK_aが変化しない限り）。同様に、最も強い塩基も同様にプロトン化されている可能性が高いです。こうした変化は珍しくありませんが、ヒスチジンのイミダゾール基はpK_aが7付近であるため、生理的条件下の酵素で通常利用可能な最も強い酸および塩基となります。

特定の反応の特定の段階の触媒に関与する官能基は非常に特異的な役割を果たし、したがって特定のイオン形態で活性であると考えられます。したがって、反応性はpHに依存します。2つ（またはそれ以上）の基が関与する場合、1つはプロトン化形態で一般酸として、もう1つは一般塩基または求核剤として塩基性形態で活性であることが一般的です。触媒反応のpH–速度依存性は、両方の基が活性イオン形態で存在する系の割合を反映します。十分に高いまたは低いpHでは、遊離塩基または完全プロトン化形態の単一種が存在します。しかし、中間の双性イオン形態の割合は、2つのpK_aの中間のpHで最大になります。これが反応性形態であれば、pH–速度プロファイルもこのpHで最大値を示します。これが酵素触媒反応のpH最適値の最も単純な説明です。

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1. Kirby A J. 酸塩基触媒作用による酵素. eLS. John Wiley & Sons, Ltd, 2001.
2. Hollfelder, Florian, Kirby, et al. 酵素モデルからモデル酵素へ. Journal of the American Chemical Society, 2009, 11(4):581-582.