酵素触媒作用は、タンパク質の活性部位によって化学反応の速度が増加することです。原則として、酵素触媒作用のメカニズムは他のタイプの化学触媒作用と似ています。酵素は、代替反応経路を提供することによって、反応の最高エネルギー遷移状態に到達するために必要なエネルギーを減少させます。活性化エネルギーの低下は、反応物分子が十分なエネルギーレベルに達し、活性化エネルギーに到達して生成物を形成する量を増加させます。酵素は、同じ条件下での非触媒化学に比べて驚異的な速度で化学反応を触媒します。各触媒イベントには、通常、3つ以上のステップが必要であり、すべては典型的な酵素反応を特徴づける数ミリ秒の間に発生します。遷移状態理論によれば、遷移状態は触媒サイクルの最も重要なステップに費やされ、これは触媒サイクルの最小の割合です。酵素触媒作用のメカニズムの一つは結合ひずみであり、遷移状態に対する酵素の親和性が基質自体に対する親和性よりも大きいです。

遷移状態理論

化学反応の遷移状態は、反応座標に沿った特定の構成です。化学的遷移状態の寿命は、結合振動モードから平行移動モードへの変換の時間であり、非常に短いです。遷移状態は、この反応座標に沿った最高のポテンシャルエネルギーに対応する状態として定義されます。基質や生成物と比較して、より多くの自由エネルギーを持っているため、最も不安定な状態です。遷移状態の特定の形は、特定の反応のメカニズムに依存します。式 S→X→P において、X は遷移状態であり、ギブス自由エネルギーグラフの曲線のピークに位置しています（図1）。この理論は酵素に対して再検討が必要です。なぜなら、遷移状態の形成をもたらすタンパク質ドメインの動きが、結合された遷移状態の変化した結合長を10¹–10⁶振動の寿命に十分な時間安定化させる可能性があるからです。

図1. 遷移状態理論。遷移状態はギブス自由エネルギーグラフの曲線のピークに位置しています。

酵素と遷移状態の強い結合

結合ひずみは、誘導適合結合の主な効果であり、遷移状態に対する酵素の親和性が基質自体に対する親和性よりも大きいです。これにより、基質の結合が遷移状態の構造に近い位置に引き伸ばされる構造的再配置が誘発され、基質と遷移状態の間のエネルギー差が低下し、反応の触媒を助けます。しかし、実際には、ひずみ効果は遷移状態の安定化効果ではなく、基底状態の不安定化効果です。

リナス・ポーリングは、酵素の強力な触媒作用は遷移状態種への特異的な強い結合によって説明できると提案しました。酵素は反応性種の濃度を増加させると提案されており、反応速度は遷移状態複合体における反応物の割合に比例します。酵素的遷移状態の結合エネルギーは、酵素と基質が互いに遷移状態に向かって構造を変化させる際の基質接触の再配置によって生成されます。結合距離、角度、溶媒環境、相対pK_a値に対する水素結合およびイオン結合エネルギーの強い依存性は、ミカエリス複合体に対する遷移状態複合体の結合力の増加を説明するために呼び起こされることがあります。構造的再配置は、触媒部位の周りのタンパク質を引き締め、溶媒を排除し、より強い静電的接触を作ります。これらは、遷移状態での整列した水素結合や、触媒力としてのイオンの引力と反発として示されます。

図2. 酵素の結合ひずみの触媒メカニズム。遷移状態に対する酵素の親和性が基質に対する親和性よりも大きい。

遷移状態類似体は酵素阻害剤である

遷移状態理論は、酵素触媒作用の発生は、酵素が基底状態の基質に結合するよりも遷移状態に強く結合することと同等であると説明しました。したがって、遷移状態類似体は酵素の効果的な阻害剤であるべきです。これらの分子は、特定の酵素反応における基質の遷移状態の模倣物です。彼らは酵素に結合することができ、しばしば基質よりもはるかに強く結合することができます。なぜなら、彼らは基質の遷移状態に非常に似ているからです。これらの遷移状態類似体が酵素に非常に強く結合するという事実は、効果的な酵素阻害剤となります。

参考文献

関連サービス

酵素学アッセイ
基質、阻害剤、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. Schramm V L. Enzymatic transition states and transition state analogues. Annual Review of Biochemistry, 2005, 15(6):604-613.