酵素の触媒モード

酵素分子は、基質に対して補完的な三次元表面を作成するポリペプチド鎖の異なる部分からのアミノ酸を含む活性部位と呼ばれる特別なポケットを含んでいます。これは、鍵がロックに合うようなものです。基質は最初に、非共有結合相互作用（水素結合、イオン結合、疎水性相互作用を含む）によって活性部位に結合し、これが酵素の立体構造変化を迅速に誘発し、結合を強化し、酵素-基質複合体を形成します。最も好まれる酵素-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、複数の触媒メカニズムが反応の遷移状態のエネルギーを低下させ、反応が酵素-生成物複合体を得るための代替化学経路を提供し、その後、酵素と生成物に解離します。細胞内の数千の酵素がさまざまな種類の化学反応を触媒しますが、それらの操作に適用される基本原則は同じです。

図1. 酵素触媒の一般的なモード。

エネルギー障壁を低下させる正確なメカニズムは、個々のシステムに依存します。これらのメカニズムの中で最も重要なものは、酵素が基質に正しい方向で結合し、活性酵素複合体の触媒群や他の基質に近づくことを指します。このようにして、結合エネルギーは、反応物と触媒群の平行移動および回転エントロピーの喪失によって引き起こされる過剰な活性エントロピーの関与を減少させるために部分的に使用されます。酵素が基質と結合するために利用できるエネルギーは、主に構造の補完性に依存しています。これらの結合エネルギーは比較的大きくなる可能性がありますが、酵素はこの潜在的な結合エネルギーを単に基質と結合して安定した長寿命の複合体を形成するために使用するわけではありません。酵素は、遷移状態の自由エネルギーを減少させるために結合エネルギーを利用しなければならず、これは一般的に反応物ではなく遷移状態への結合を増加させることによって達成され、システムにエネルギー的なひずみを導入し、酵素の触媒群と反応物との間のより好ましい相互作用を可能にします。

他の寄与要因は、代替反応経路の提供、反応および触媒のイオン群の脱溶媒化、反応物へのひずみの導入であり、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、非溶媒化または対になっていない電荷の不在、最小限の立体的反発、および十分な水素結合の存在によって決定されます。

近接と方向性

酵素-基質相互作用は、反応性化学群を整列させ、最適な幾何学で近接させることができ、反応速度を増加させます。反応物のエントロピーは減少し、これにより、二つの反応物を単一の生成物に統合することで全体のエントロピーの減少を減少させるため、付加反応や移動反応が不利になりにくくなります。この近接と方向性の効果は、試薬の濃度の実質的な増加に類似しており、反応に大きな速度増加を与えます。

結合ひずみ

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ことを示します。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寄せられるように、基質の結合がひずむ構造的再配置が引き起こされ、基質と遷移状態のエネルギー差が減少します。これは反応を触媒するのに有益です。しかし、ひず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。基質の結合ひずみとは別に、酵素自体内でも結合ひずみが発生し、活性部位の残基を刺激することがあります。

酸-塩基触媒作用

酸-塩基触媒作用は、遷移状態で発生する電荷を安定化させるために、他の分子にプロトンを転送する反応であり、これにより求核剤および求電子剤のグループを活性化したり、離脱基を安定化させたりします。ヒスチジンは、pKaが中性pHに近く、プロトンを受け取ったり寄付したりできるため、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囲の環境によって変化する可能性があります。この特定の触媒作用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定され、特定の酸-塩基触媒作用では、反応速度は触媒濃度の影響を受けません。

共有結合触媒作用

共有結合触媒作用は、基質が補因子または酵素の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、反応の後の遷移状態のエネルギーを減少させることを指します。反応の後の段階で、共有結合は切断され、酵素が放出されます。この種のメカニズムは、キモトリプシンやトリプシンのような酵素の触媒トライアドによって適用され、アシル-酵素中間体を残します。解糖系の酵素アルドラーゼでは、リジン残基からの自由アミンを使用してシッフ塩基が形成されるという別のメカニズムが観察されます。

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