酵素の触媒様式

酵素分子には「活性部位」と呼ばれる特別なポケットがあり、これはポリペプチド鎖の異なる部分からのアミノ酸を含み、基質に対して立体的に補完的な表面を作り出します。これはちょうど鍵が錠に合うようなものです。基質は最初、非共有結合的な相互作用（例えば水素結合、イオン結合、疎水性相互作用）によって活性部位に結合し、これが酵素の構造変化を迅速に誘導し、結合を強化して酵素-基質複合体を形成します。最も好ましい酵素-基質相互作用は誘導適合モデルに属します。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って反応の遷移状態のエネルギーが低下し、反応のための代替的な化学経路が提供され、酵素-生成物複合体が得られ、最終的に酵素と生成物に解離します。細胞内の数千種類の酵素が様々な化学反応を触媒しますが、その基本原理は同じです。

図1. 酵素触媒の一般的な様式。

エネルギー障壁を低減する正確な機構は、個々の系に依存します。これらの機構の中で最も重要なのは、酵素が基質と正しい配向で結合し、活性酵素複合体上の触媒基や他の基質に近接することです。このようにして、結合エネルギーの一部は、反応物や触媒基の並進および回転エントロピーの損失による過剰な活性化エントロピーの関与を減少させるために使われ、全体の活性化エネルギーが低減されます。酵素が基質と結合するために利用できるエネルギーは、主に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、酵素はこの結合エネルギーを単に基質と結合して安定で長寿命な複合体を形成するためだけには使いません。酵素は結合エネルギーを利用して遷移状態の自由エネルギーを低下させなければならず、これは一般的に反応物よりも遷移状態への結合を強めることで達成され、系にエネルギー的な歪みを導入し、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します。

他の寄与要因としては、代替的な反応経路の提供、反応および触媒イオン基の脱溶媒和、反応物への歪みの導入があり、これにより遷移状態に利用できる結合エネルギーが増加します。特異性は、未溶媒和または未対合の電荷が存在しないこと、立体反発が最小限であること、十分な水素結合が存在することによって決定されます。

近接性と配向

酵素-基質相互作用は、反応性化学基を整列させ、最適な幾何学的配置で互いに近づけることができ、これにより反応速度が増加します。反応物のエントロピーが減少し、付加反応や転移反応が不利でなくなります。なぜなら、2つの反応物が1つの生成物に統合されることで、全体のエントロピー減少が抑えられるからです。この近接性と配向の効果は、試薬の有効濃度が上昇したのと同様の効果を持ち、反応に分子内的な性質を与え、劇的な速度向上をもたらします。

結合歪み

結合歪みは誘導適合結合の主な効果であり、酵素が遷移状態に対して基質自体よりも高い親和性を持つ場合に生じます。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構造に近い位置に歪められ、基質と遷移状態のエネルギー差が減少します。これは反応の触媒に有利です。しかし、歪み効果は実際に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。酵素は非常に柔軟性が高いため、大きな歪み効果を利用することはできません。基質の結合歪みに加えて、酵素自体の内部でも活性部位の残基を刺激するために結合歪みが生じることがあります。

酸塩基触媒

酸塩基触媒は、プロトンを他の分子に移動させることで遷移状態で発生する電荷を安定化させる反応であり、これにより求核基や求電子基が活性化されたり、脱離基が安定化されたりします。ヒスチジンはこれらの酸塩基反応によく関与し、pKaが中性pHに近いため、プロトンの受容と供与の両方が可能です。pKa値は残基の局所環境や周囲の環境によって変化します。この触媒における反応速度はプロトンキャリアの濃度によって決まり、特定の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

共有結合触媒は、基質が補因子や酵素活性部位の残基と一時的な共有結合を形成し、反応に追加の共有中間体をもたらし、反応の後期遷移状態のエネルギーを低減することを指します。反応の後の段階で、この共有結合は切断されて酵素が解放されます。このような機構はキモトリプシンやトリプシンのような酵素の触媒三残基によって利用され、アシル酵素中間体が残されます。別の機構は解糖系のアルドラーゼ酵素で観察され、リジン残基の遊離アミンを用いてシッフ塩基が形成されます。

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