酵素の触媒様式

酵素分子には活性部位（アクティブサイト）と呼ばれる特異的なポケットが存在し、ポリペプチド鎖の異なる部位に由来するアミノ酸残基が集合して、基質に相補的な三次元表面を形成します。これは鍵と鍵穴の関係に類似します。基質はまず、水素結合、イオン結合、疎水性相互作用などの非共有結合性相互作用により活性部位へ結合し、これにより酵素の立体構造変化が迅速に誘導され、結合が強化されて酵素‐基質複合体が形成されます。最も支持される酵素‐基質相互作用モデルは誘導適合（induced fit）モデルです。基質が酵素の活性部位に結合すると、複数の触媒機構により反応の遷移状態のエネルギーが低下し、反応に対する代替の化学経路が提供されることで酵素‐生成物複合体が形成され、最終的に酵素と生成物へ解離します。細胞内には数千種類の酵素が存在し多様な化学反応を触媒しますが、その作動に適用される基本原理は共通しています。

図1．酵素触媒の一般的模式図。

エネルギー障壁を低下させる正確な機構は、各システムに依存します。これらの機構のうち最も重要なのは、酵素が基質を反応に適した正しい配向で初期結合させ、活性酵素複合体の触媒基および他の基質に近接させることです。このようにして結合エネルギーの一部が、反応物および触媒基の並進・回転エントロピーの喪失に起因する過剰な活性化エントロピーの寄与を低減し、全体の活性化エネルギーを下げるために利用されます。酵素が基質と結合するために利用可能なエネルギーは、主として構造の相補性に依存します。これらの結合エネルギーは比較的大きくなり得ますが、酵素はこの潜在的結合エネルギーを単に基質と結合して安定で長寿命の複合体を形成するためだけに用いるわけではありません。酵素は結合エネルギーを用いて遷移状態の自由エネルギーを低下させる必要があり、一般にこれは、反応物よりも遷移状態に対する結合を増強し、系にエネルギー的ひずみを導入するとともに、酵素の触媒基と反応物との間でより有利な相互作用を可能にすることで達成されます。

その他の寄与因子として、代替反応経路の提供、反応および触媒に関与するイオン性基の脱溶媒和、ならびに反応物へのひずみ導入が挙げられ、これにより遷移状態に利用可能な結合エネルギーが増加します。特異性は、非溶媒和または非対形成の電荷が存在しないこと、立体反発が最小であること、十分な水素結合が存在することによって規定されます。

近接効果と配向

酵素‐基質相互作用は反応性化学基を整列させ、最適な幾何学配置で互いに近接させることで反応速度を増加させます。反応物のエントロピーが低下し、2つの反応物が1つの生成物へ統合される際の全体エントロピー低下が相対的に小さくなるため、付加反応や転移反応は不利になりにくくなります。この近接・配向効果は、試薬の有効濃度が増加したのと同等であり、反応に分子内反応的性格を付与して大幅な速度増加をもたらします。

結合ひずみ

結合ひずみは誘導適合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高い場合に生じます。これにより構造再配列が起こり、基質の結合が遷移状態のコンフォメーションに近い位置へとひずませられ、基質と遷移状態のエネルギー差が減少します。これは反応触媒に有利です。ただし、ひずみ効果は実際に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効果です。酵素は非常に柔軟であるため、大きなひずみ効果を利用することはできません。基質における結合ひずみに加え、活性部位の残基を刺激するために酵素自体の内部でも結合ひずみが生じ得ます。

酸塩基触媒

酸塩基触媒とは、遷移状態で発生しつつある電荷を安定化するために、別の分子へプロトンを供与または別の分子からプロトンを受容する反応であり、求核基および求電子基の活性化、または脱離基の安定化に寄与します。ヒスチジンはpKaが中性pH付近であるため、プロトンの受容と供与の双方が可能であり、これらの酸塩基反応にしばしば関与します。pKa値は残基の局所環境および周辺環境の双方により変化し得ます。この触媒における反応速度はプロトン担体の濃度によって規定され、特異的酸塩基触媒では反応速度は触媒濃度の影響を受けません。

共有結合触媒

共有結合触媒とは、基質が補因子または酵素活性部位の残基と一過性の共有結合を形成し、反応に追加の共有結合性中間体を導入することで、反応後半の遷移状態のエネルギー低下に寄与する機構を指します。反応の後段階でこの共有結合は切断され、酵素が遊離します。この機構は、キモトリプシンやトリプシンなどの酵素における触媒三残基（catalytic triad）により利用され、アシル‐酵素中間体が形成されます。別の機構として、解糖系のアルドラーゼでは、リジン残基の遊離アミノ基を用いてシッフ塩基が形成されることが観察されます。

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