共有結合触媒作用は、酵素が特定の反応を触媒する際に用いる4つの戦略のうちの一つであり、基質と酵素活性部位の残基、または補因子との間に一時的な共有結合が形成されることを伴います。共有結合触媒作用では、反応に追加の共有結合中間体が加わり、反応の後期段階における遷移状態のエネルギーを低減するのに役立ちます。最も一般的な共有結合は、酵素の求核性基が活性部位で結合した基質の求電子性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、共有結合触媒作用は、基質が触媒反応中に一時的に酵素と共有結合で結合する際に起こります。この反応では、酵素は反応性基（通常は求核性残基または求電子性残基）を持ち、求核攻撃または求電子攻撃を通じて基質と反応します。求核性基は、アミノ酸残基の側鎖に存在するRCOO-、RNH、ROHや、ヒスチジン残基のイミダゾール環の窒素原子などが挙げられます。基質の求電子性部分はアシル基、リン酸基、グリコシル基などであり、共有結合中間体はアシル酵素複合体、リン酸酵素複合体、グリコシル酵素複合体となります。酵素分子は求電子性基が少ないですが、金属や電子受容体として働く補欠分子族を含む酵素では求電子性触媒作用も起こります。遷移状態での反応中の電荷損失は、その後の加水分解を加速させます。

図1. 共有結合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、共有結合触媒作用は（共有結合中間体を経由することで）反応の代替経路を提供し、真の触媒作用とは区別されます。共有結合触媒作用の真の提案には、例えば酵素基による遷移状態への部分的な共有結合が必要ですが、そのような効果は触媒作用に大きく寄与しません。

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、反応分子と共有結合中間体を形成します。このような共有結合中間体は、活性部位アミノ酸残基と形成される共有結合中間体と同様に、後期遷移状態のエネルギーを低減する役割を果たしますが、補因子の能力により、アミノ酸側鎖だけでは不可能な反応を酵素が行うことができます。これらの補因子を利用する酵素には、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などがあります。

酵素の触媒三元系

共有結合触媒作用の後期段階では、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などのプロテアーゼに見られる触媒三元系によって利用されており、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性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、触媒三元系と呼ばれる3つの主要な触媒残基（His57、Asp102、Ser195）があります。求核剤はセリンのヒドロキシル基です。脱プロトン化されることで、セリン残基はアルコキシドとなり、タンパク質中のカルボニル基の比較的反応性の低い炭素を攻撃する強力な求核剤となります。

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