酵素触媒作用

酵素触媒作用は、タンパク質の活性部位によって細胞内のほぼすべての化学反応の速度を増加させる手続きです。酵素は多サブユニット複合体の一部である場合があります。また、補因子と一時的または永続的に結合することもあります。理論的には、酵素の生体触媒作用のメカニズムは、他の種類の化学触媒作用と似ており、酵素は消費されず、単一の酵素が複数回の触媒作用を実行するようにリサイクルされます。さらに、反応速度は、反応物と生成物の間の化学平衡を変えることなく、酵素によって強化されます。

エネルギー的な観点から、酵素が反応を加速できる理由は、反応の最高エネルギー遷移状態に到達するために必要なエネルギー障壁（活性化エネルギー）を下げるための適切な環境を提供できるからです。一般的に、反応に十分なエネルギーを持つ分子はごくわずかです。活性化エネルギー（Ea）の低下は、十分なエネルギーレベルを持つ反応物分子の量を増加させ、したがって活性化エネルギーを達成し、生成物を生成します。細胞内の生化学反応の触媒作用は重要であり、触媒なしの反応は、生命に適した温度と圧力の穏やかな条件下で非常に低い反応速度を示します。タンパク質の進化を促進する重要な方法は、タンパク質の動態を通じてそのような触媒活性を最適化することです。すべての酵素は、反応物と遷移状態を形成することによって作用し、触媒なしの反応で見られるよりも低い自由エネルギーを保持します。ポテンシャルエネルギー障壁のわずかな低下でも、反応速度の大幅な増加を生み出すことができます。

図1. 酵素反応の自由エネルギープロファイル。（Gerlt J A. 1994）

酵素の触媒モード

活性化エネルギーを低下させるために適用されるメカニズムはいくつかあり、エネルギー障壁を下げ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向きで初期結合し、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化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、全体の活性化エネルギーを低下させます。酵素が基質と結合するために利用可能なエネルギーは、主に構造の相補性に依存しています。

酵素の触媒特性

酵素は非常に効率的であり、この触媒の単一分子は毎秒100万分子の反応物を変換できます。この種の生化学的触媒は自然界でユニークであり、同じ触媒は1つ以上の反応には使用できません。酵素触媒作用は、穏やかな反応温度とpH値5-7の範囲で最大の効果を達成できます。酵素の触媒活性は、反応速度を増加させるために酵素と弱い結合を形成できる補酵素や活性化剤（Na⁺、Co²⁺など）によって積極的に調節されることがあります。

化学反応を簡単に: 触媒における酵素の役割