基質結合には反応速度を高める追加的な作用があり、その中でも近接効果および配向効果が最も明確な増加要因となる。酵素‐基質結合には2つの特性がある。第一に、結合により基質と、酵素の活性部位に存在する反応性官能基が近接して配置される。第二に、酵素の活性部位は基質に対して極めて高い特異性を有し、反応を可能な限り効率的に進行させる。酵素‐基質相互作用における近接および配向は、反応性化学基を整列させ、反応が起こるために適切な空間的関係を保った最適な配向で互いに接近させ得る。このように基質が固定されると、酵素反応は速度論的に分子内過程に類似した挙動を示す。分子は、遷移状態の電子エネルギーが最小化されるように軌道が整列したときに最大の反応性を示すと提唱されている。2つの基が非生産的な配向をとる可能性が少ないほど、反応は速く進行する。

近接効果・配向効果による反応速度の増大

近接効果とは、基質分子が酵素活性部位へ結合する際の配向および運動を指し、同等の分子間反応と分子内反応を比較することで最も容易に観察される。近接および配向の効果は、試薬の有効濃度が増加したかのように作用し、反応に分子内的性格を付与して大幅な速度増大をもたらす。単一分子内で結び付けられた官能基間の分子内反応は、2つの独立した分子間で起こる対応する分子間反応よりも速い。速度差は3～4桁（分子内＞分子間）に及ぶ。これは主として、分子間反応と分子内反応に伴うエントロピー変化の差に起因する。分子内反応では反応物のエントロピーが低下しており、これは主にその準備過程で生じるため、付加反応や転移反応が不利になりにくい。すなわち、2つの反応物が単一の生成物へ統合されることで、全体のエントロピー低下が相対的に小さくなり得る。遷移状態形成に伴うエントロピー低下は、より早い段階、すなわち基質が結合して酵素‐基質複合体を形成する段階へ移行している。一方、分子間反応では生成物形成に際して、並進および回転エントロピーの損失がはるかに大きい。

図1．反応速度に対する近接効果および配向効果。

触媒作用の要件

基質と酵素活性部位が近接しているだけでは、触媒反応が起こることを意味しないとされている。反応を実際に成立させるためには、酵素が基質を特定の配向で活性部位へ導く（ステアリングする）必要があり、これを配向（orientation）という。時間の経過とともに、配向は進化してより効率的かつ重要になってきたが、定量化は困難である。反応成立のための他の要件として、溶媒和の変化、電子軌道の重なり（電子的オーバーラップ）、ならびにファンデルワールス力の克服が挙げられる。これらの要件を満たすためには、配向効果およびひずみ（strain）の誘起が必要である。

図2．HIVプロテアーゼにおける近接効果・配向効果。

参考文献

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1. Page M I, Jencks W P. Entropic contributions to rate accelerations in enzymic and intramolecular reactions and the chelate effect. Proc Nat Acad Sci, 1971, 68 (8): 1678-1683.