基質の結合には反応速度を高める追加的な効果があり、その中でも近接効果と配向効果が最も顕著な増加をもたらします。酵素-基質結合には2つの特徴があり、1つ目は結合によって基質と酵素の活性部位上の反応性基が引き寄せられることです。2つ目は、酵素の活性部位が基質に対して非常に特異的であるため、反応を可能な限り効率的に行うことができる点です。酵素-基質間の近接効果と配向効果により、反応性化学基が整列し、反応が起こるために最適な配向と空間的関係で互いに近づくことができます。このように基質が固定されると、酵素反応は運動学的に分子内反応のように振る舞います。分子の軌道が整列し、遷移状態の電子エネルギーが最小化されるとき、分子は最大限に反応性を示すと考えられています。2つの基が非生産的な配向をとる方法が少ないほど、より速く反応します。

近接効果および配向効果による反応速度の増加

近接効果は、酵素の活性部位に基質分子が結合する際の配向や動きを説明し、等価な分子間反応と分子内反応を比較することで最も明確に観察されます。この近接効果と配向効果は、試薬の有効濃度が増加したかのような効果をもたらし、反応に分子内的な性質を与えて大幅な速度増加をもたらします。1つの分子内で結合している基同士の分子内反応は、2つの独立した分子間での分子間反応よりも速く進行します。速度の違いは3～4桁（分子内＞分子間）にもなります。これは主に、分子間反応と分子内反応に伴うエントロピー変化の違いによるものです。分子内反応では、反応物のエントロピーが主に準備過程で減少し、2つの反応物が1つの生成物に統合されることで全体のエントロピー減少が抑えられるため、付加反応や転移反応が不利になりにくくなります。遷移状態の形成に伴うエントロピー減少は、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に移動しています。一方、分子間反応では生成物の形成において並進および回転エントロピーの損失がはるかに大きくなります。

図1. 反応速度に対する近接効果と配向効果。

触媒作用の要件

基質と酵素の活性部位が近接しているだけでは、必ずしも触媒反応が起こるとは限らないとされています。酵素は基質を特定の配向で活性部位に導く、すなわち配向させる必要があり、これによって実際に反応が起こります。時間の経過とともに、この配向効果は進化し、より効率的かつ重要になってきましたが、定量化は困難です。このような反応が起こるためには、溶媒和や電子的重なりの変化、ファンデルワールス力の克服など、他の要件も必要です。これらの要件を満たすためには、配向効果や歪みの誘導が必要となります。

図2. HIVプロテアーゼにおける近接効果と配向効果。

参考文献

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1. Page M I, Jencks W P. 酵素反応および分子内反応における速度促進とキレート効果に対するエントロピー寄与. Proc Nat Acad Sci, 1971, 68 (8): 1678-1683.