酵素触媒とは、タンパク質の活性部位によって化学反応速度が増大する現象を指す。原理的には、酵素触媒の機構は他の化学触媒と同様である。酵素は代替的な反応経路を提供することにより、反応が最高エネルギーの遷移状態に到達するために必要なエネルギーを低減する。活性化エネルギーの低下により、十分なエネルギーレベルに達して活性化エネルギーを超え、生成物を形成できる反応物分子の割合が増加する。酵素は、同一条件下の非触媒反応と比較して驚異的な速度で化学反応を触媒する。各触媒イベントには少なくとも3段階、しばしばそれ以上の段階が必要であり、これらは典型的な酵素反応を特徴づける数ミリ秒の間にすべて進行する。遷移状態理論によれば、最も重要な段階は遷移状態に費やされる段階であり、触媒サイクル全体の中で最小の割合を占める。酵素触媒機構の一つに結合ひずみがあり、これは酵素の遷移状態に対する親和性が基質そのものに対する親和性よりも高い場合に生じる。

遷移状態理論

化学反応の遷移状態とは、反応座標に沿った特定の配置である。化学遷移状態の寿命は、結合の振動モードが並進モードへ変換される時間に相当し、極めて短い。遷移状態は、この反応座標に沿ったポテンシャルエネルギーが最大となる状態として定義される。基質または生成物と比較して自由エネルギーが高く、したがって最も不安定な状態である。遷移状態の具体的な形態は、当該反応の機構に依存する。式 S→X→P において、X が遷移状態であり、ギブズ自由エネルギー図（図1）の曲線の頂点に位置する。本理論は酵素に対して再検討が必要である。というのも、遷移状態形成に伴うタンパク質ドメインの運動により、結合した遷移状態における変化した結合長が、10¹～10⁶回の振動に十分な寿命の間、安定化され得るためである。

図1．遷移状態理論。遷移状態はギブズ自由エネルギー図の曲線の頂点に位置する。

酵素と遷移状態の強固な結合

結合ひずみは誘導適合（induced fit）結合の主要な効果であり、酵素の遷移状態に対する親和性が基質そのものに対する親和性よりも高い場合に生じる。これにより構造再配列が誘起され、基質結合が遷移状態の配座により近い位置へとひずませられることで、基質と遷移状態のエネルギー差が低下し、反応触媒が促進される。しかし実際には、このひずみ効果は遷移状態の安定化効果というより、基底状態の不安定化（ground state destabilization）効果である。

Linus Pauling は、酵素の強力な触媒作用は遷移状態種への特異的かつ強固な結合によって説明できると提唱した。反応速度は遷移状態複合体にある反応物の割合に比例するため、酵素は反応性種の濃度を増加させると考えられた。酵素反応における遷移状態の結合エネルギーは、酵素と基質が遷移状態へ向かって相互に構造変化する過程で、基質との接触が再配列されることにより生じる。水素結合およびイオン結合のエネルギーが、結合距離、角度、溶媒環境、相対的な pK_a 値に強く依存することを踏まえると、ミカエリス複合体に比べて遷移状態複合体の結合力が増大することを説明できる。構造再配列により、タンパク質は触媒部位の周囲でより密に閉じ、溶媒を排除するとともに、より強い静電的相互作用を形成する。これらは、遷移状態における整列した水素結合として、また触媒力としてのイオン性の引力および斥力として示される。

図2．結合ひずみによる酵素触媒機構。酵素の遷移状態に対する親和性は基質に対する親和性よりも高い。

遷移状態アナログは酵素阻害剤である

遷移状態理論では、酵素触媒の発現は、酵素が基底状態の基質よりも遷移状態に強く結合することと等価であると説明される。したがって、遷移状態アナログは酵素の有効な阻害剤となり得る。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を模倣したものである。基質の遷移状態に非常に類似しているため、酵素に結合し、しばしば基質よりもはるかに強固に結合する。これらの遷移状態アナログが酵素に強く結合するという事実が、有効な酵素阻害作用につながる。

参考文献

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1. Schramm V L. Enzymatic transition states and transition state analogues. Annual Review of Biochemistry, 2005, 15(6):604-613.