酸-塩基触媒作用において、化学反応は酸または塩基の添加によって加速され、酸または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寄付または受け取ることができます。これは通常、求核剤および求電子剤の活性化、または離脱基の安定化に影響を与えます。多くの酸-塩基触媒反応は、ヒスチジンを含んでいます。なぜなら、ヒスチジンはpK_aが7に近いため、酸と塩基の両方として機能することができるからです。

酸-塩基触媒作用の特徴

酵素反応の大部分—生命が依存する化学反応—は、水中で「生理的」条件下、pH 7近くで行われます。しかし、これは化学反応が通常最も遅い場所です。反応性化合物は、強酸または強塩基を加えることで容易に加水分解されます in vitro。しかし、これは酵素にとって実用的な提案ではありません：強酸または強塩基の存在下では、タンパク質は変性します。それにもかかわらず、酵素による触媒作用についての考え方は、酸-塩基触媒作用 in vitroに対する理解に基づいています。

酸-塩基触媒作用は、図1に示されるpH-反応速度プロファイルによって示されています：3つのプロットは、水中でさまざまな種類の反応を受けるほとんどのタイプの基質の挙動を代表しています。下の曲線（I）は、典型的な非反応性化合物の in vitro反応を表しており、酸および塩基触媒反応のみを示し、pH 7近くの最小値で反応は非常に遅いです。最も反応性の高い化合物の場合、追加の特徴（曲線II）はpHに依存しない領域であり、ここでは水との非触媒反応が中性付近で酸および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-反応速度プロファイルです：これは他のものよりもはるかに速く（縦軸のブレークで示される）、また質的にもかなり異なり、現在、反応速度はpH 7近くで最大に達します。酵素はpH 7近くで機能するように「設計」されており、通常この領域でpH最適値を示し、高いpHおよび低いpH値では反応速度が低下します。

図1. 特定の酸-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での酸および塩基触媒反応は、酵素による触媒作用には直接関連していません。これらは通常、迅速な前平衡におけるプロトンの添加または除去による基質の活性化を含み、その後、共役酸または塩基の速度決定反応が続きます。

酸-塩基触媒作用のメカニズム

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、中性分子に対する水の攻撃がpH 7近くで速度決定的です（図1の曲線II）。形式的には、これにより正の電荷と負の電荷の両方が生成され、反応が進行するにつれて両方の電荷は水素結合の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。新しいC–O結合が形成されると、求核的な酸素に正の電荷が発生し、付随するOHプロトンはますます酸性になり、最終的には溶媒化された水に移され、形式的には一般的な塩基（gb）として機能します。カルボニル酸素に発生する負の電荷も同様に水素結合を介して別の水分子に移され、今度は一般的な酸（ga）として機能します。このメカニズムは常に利用可能ですが、必ずしも観察可能な速度で反応を引き起こすわけではありません。

直接反応は、第三の分子を関与させないというエントロピー的な利点があります。また、カルボキシレートアニオンは、適切な条件下で、エトキシドよりも優れた離脱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。このメカニズムは、pK_aが約7の離脱基を持つエステルに対する一般的な塩基触媒作用と同等に競合し、より良い離脱基を持つ誘導体に対して優位になります。

離脱基が貧弱な場合、プロトン化によって実行可能にすることができます：基が十分に塩基性であれば共役酸を形成するために完全にプロトン化されますが、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。このメカニズムは、エステルおよびアミドのアシル転送反応に関与する四面体付加中間体の分解に関与していますが、容易には観察されません。

酵素におけるブレンステッド酸および塩基群

酵素の「触媒機構」は、タンパク質の三次構造によって形成された活性部位を形成するために、よく定義された三次元配置に集められた少数の機能基から成ります。関与する機能基は、自然に存在するアミノ酸の側鎖で利用可能なもののサブセットです。pH 7近くの生理的条件下では、pK_aが7の単位または2の範囲内にある弱酸および弱塩基のみが、酸性または塩基性の形で重要な程度に存在できます。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pH 7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—それらのpK_aが局所環境によって撹乱されない限り。同様に、最も強い塩基は、同様に撹乱されない限り、プロトン化される可能性が高いです。このような撹乱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に近いため、生理的条件下で酵素に通常利用可能な最も強い酸および最も強い塩基の両方です。

特定の反応の特定のステップの触媒に関与する機能基は非常に特定の役割を果たし、したがって特定のイオン形態で活性であると期待されます：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）のそのような基が関与する場合、一般的な酸としてプロトン化された形で1つが活性であり、もう1つが一般的な塩基または求核剤として基本的な形で活性であることが一般的です。触媒反応のpH-反応速度依存性は、両方の基が活性イオン形態にある系の割合を反映します。十分に高いpHおよび低いpHでは、単一の種が存在し、自由塩基または完全にプロトン化された形になります。しかし、中間体の双性イオン形態の割合は、2つのpK_aの中間のpHで最大に増加します。これが反応性の形であれば、pH-反応速度プロファイルもこのpHで最大を示します。これは、酵素触媒反応のpH最適値の最も単純な説明です。

参考文献

関連サービス

酵素学アッセイ
基質、阻害剤、およびその他のリガンドのスクリーニング
バイオ触媒サービス

私たちは包括的な酵素サービスを提供し、あなたとの協力を楽しみにしています。詳細情報については、どうぞお気軽にお問い合わせください。

1. Kirby A J. Acid–Base Catalysis by Enzymes. eLS. John Wiley & Sons, Ltd, 2001.
2. Hollfelder, Florian, Kirby, et al. From Enzyme Models to Model Enzymes. Journal of the American Chemical Society, 2009, 11(4):581-582.