共有触媒作用は、酵素が特定の反応を触媒するために使用する4つの戦略の1つであり、基質と酵素の活性部位の残基または補因子との間に一時的な共有結合が形成されることを含みます。共有触媒作用では、反応に追加の共有中間体が加わり、反応の後半段階における遷移状態のエネルギーを低下させるのに役立ちます。最も一般的な共有結合は、酵素の求核基が活性部位に結合している基質の求電子部分に攻撃することによって形成されます。

メカニズム

酵素反応において、共有触媒作用は基質が触媒反応中に酵素に一時的に共有的に結合する際に発生します。この反応では、酵素は反応性基を含み、通常は求核残基または求電子残基であり、基質と求核的または求電子的攻撃を通じて反応します。求核基は、アミノ酸残基の側鎖に存在するRCOO-、RNH、ROHであるか、ヒスチジン残基のイミダゾール環の窒素原子である可能性があります。基質の求電子部分はアシル、リン酸、または糖基である可能性があるため、共有中間体はアシル、リン酸、糖基酵素複合体となります。酵素分子は求電子基が乏しいですが、金属や触媒中に電子シンクとして機能する補助基を含む酵素では求電子触媒作用が発生します。遷移状態中の反応における電荷の喪失は、加水分解を加速させます。

図1. 共有触媒作用のメカニズム。

反応経路の活性化エネルギーを下げるのではなく、共有触媒作用は反応の代替経路を提供します（共有中間体を介して）ので、真の触媒作用とは異なります。共有触媒作用の真の提案は、例えば、酵素基による遷移状態への部分的な共有結合を必要とし、そのような効果は触媒作用に大きく寄与しません。

基質と補因子によって形成される共有中間体

いくつかの酵素は、ピリドキサールリン酸（PLP）やチアミンピロリン酸（TPP）などの非アミノ酸補因子を利用して反応物分子と共有中間体を形成します。そのような共有中間体は、活性部位のアミノ酸残基と形成される共有中間体が安定化を可能にするのと同様に、後の遷移状態のエネルギーを低下させる機能を持ちますが、補因子の能力により、アミノ酸側残基だけでは実行できない反応を酵素が行うことを可能にします。そのような補因子を利用する酵素には、PLP依存性酵素のアスパラギン酸トランスアミナーゼやTPP依存性酵素のピルビン酸脱水素酵素が含まれます。

酵素の触媒トライアド

共有触媒作用の後の段階では、酵素を再生するために共有結合を切断する必要があります。このメカニズムは、キモトリプシンやトリプシンのようなプロテアーゼの触媒トライアドによって利用され、アシル酵素中間体が形成されます。キモトリプシンは消化系の分解的プロテアーゼであり、大きな芳香族または非極性残基に隣接するペプチド結合の切断を触媒します。タンパク質のカルボキシル末端側のペプチド結合を切断します。キモトリプシンには、触媒トライアドと呼ばれる3つの主要な触媒残基があります。これらはHis57、Asp102、Ser195です。求核剤はセリンのヒドロキシル基です。脱プロトン化により、セリン残基はアルコキシドのために強力な求核剤となり、タンパク質のカルボニルの比較的反応性の低い炭素に攻撃します。

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