共有結合触媒は、酵素が特定の反応を触媒する際に用いる4つの戦略の一つであり、基質と酵素活性部位の残基、または補因子との間に一過性の共有結合が形成されることを特徴とします。共有結合触媒では、反応に追加の共有結合性中間体が導入され、反応後半段階における遷移状態のエネルギーを低減するのに寄与します。最も一般的な共有結合は、活性部位に結合した基質の求電子部位に対して、酵素の求核性官能基が攻撃することにより形成されます。

機序

酵素反応において共有結合触媒は、触媒反応の過程で基質が一時的に酵素へ共有結合的に結合することで生じます。この反応では、酵素が反応性基（通常は求核性残基または求電子性残基）を有し、求核攻撃または求電子攻撃を介して基質と反応します。求核性基としては、アミノ酸残基側鎖に存在するRCOO-、RNH、ROH、あるいはヒスチジン残基のイミダゾール環の窒素原子が挙げられます。基質の求電子部位はアシル基、ホスホリル基、またはグリコシル基である場合があり、その結果、共有結合性中間体としてアシル化酵素、リン酸化酵素、グリコシル化酵素複合体が形成されます。酵素分子は一般に求電子性基に乏しいものの、触媒過程で電子シンクとして機能する金属や補欠分子族を含む酵素では求電子触媒も起こり得ます。遷移状態における電荷の消失は、その後の加水分解を促進します。

図1. 共有結合触媒の機序。

共有結合触媒は、反応経路の活性化エネルギーを低下させるというよりも、共有結合性中間体を介した代替反応経路を提供するものであり、その点で真の触媒作用とは区別されます。共有結合触媒を真に提唱するには、例えば酵素の官能基が遷移状態に対して部分的な共有結合を形成することを要しますが、そのような効果は触媒作用に有意には寄与しません。

基質および補因子によって形成される共有結合性中間体

一部の酵素は、ピリドキサールリン酸（PLP）やチアミンピロリン酸（TPP）などの非アミノ酸性補因子を利用して、反応分子と共有結合性中間体を形成します。これらの共有結合性中間体は、活性部位アミノ酸残基と形成される共有結合性中間体が安定化を可能にするのと同様に、後半の遷移状態のエネルギーを低減する機能を果たしますが、補因子の特性により、アミノ酸側鎖残基のみでは実行できない反応を酵素が遂行できるようになります。このような補因子を利用する酵素として、PLP依存性酵素であるアスパラギン酸アミノトランスフェラーゼや、TPP依存性酵素であるピルビン酸デヒドロゲナーゼが挙げられます。

酵素の触媒三残基（Catalytic Triad）

共有結合触媒の後半段階では、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。この機序は、キモトリプシンやトリプシンなどのプロテアーゼに代表される触媒三残基を有する酵素で利用され、アシル化酵素中間体が形成されます。キモトリプシンは消化器系の分解性プロテアーゼであり、大きな芳香族残基または非極性残基に隣接するペプチド結合の開裂を触媒します。タンパク質のカルボキシ末端側でペプチド結合を切断します。キモトリプシンには触媒三残基と呼ばれる3つの主要な触媒残基があり、His57、Asp102、Ser195から構成されます。求核剤はセリンの水酸基です。脱プロトン化によりセリン残基はアルコキシドとなって強力な求核剤となり、タンパク質中のカルボニルの比較的反応性の低い炭素を攻撃します。

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