拡散制限酵素

拡散律速酵素は、 反応を非常に効率的に触媒するため、律速段階は活性部位への基質 の拡散、または生成物の拡散である。^{[2]これは、}運動学的完全性または触媒的完全性とも呼ばれる。このような酵素の触媒速度は拡散制御反応によって設定されるため、進化に対する本質的な物理的制約（適応度地形の最大ピークの高さ）を表す。拡散律速の完全酵素は非常にまれである。ほとんどの酵素は、この限界よりも1,000〜10,000倍遅い速度で反応を触媒する。これは、困難な反応の化学的制限と、そのような高い反応速度が追加の適応度をもたらさないという進化的制限の両方によるものである。^[1]

拡散律速反応の理論は、もともとRA Alberty、Gordon Hammes、Manfred Eigenによって酵素基質反応の上限を推定するために利用されました。^{[3] [4]}彼らの推定によると、^{[3] [4]}酵素基質反応の上限は10 ⁹ M ⁻¹ s ⁻¹でした。

1972年に、炭酸脱水酵素によって触媒されたH ₂ CO ₃の脱水反応において、実験的に得られた二次反応速度定数は約1.5 × 10 ¹⁰ M ⁻¹ s ⁻¹であることが観察されました^[5]。これは、単純化されたモデルに基づいてAlberty、Hammes、およびEigenによって推定された上限よりも1桁高いものでした^{[3] [4] 。}

このようなパラドックスに対処するために、クオチェン・チョウと彼の同僚は、酵素と基質間の空間因子と力場因子を考慮したモデルを提案し、上限が10 ¹⁰ M ⁻¹ s ⁻¹に達する可能性があることを発見しました。^{[6] [7] [8]}これは、分子生物学における驚くほど高い反応速度を説明するのに使用できます。^{[5] [9] [10]}

チョウらによって発見された酵素-基質反応の新たな上限値は、一連の追跡研究によってさらに議論され、分析された。^{[11] [12] [13]}

この論文では、酵素とその基質の拡散制御反応速度、あるいは酵素基質反応の上限を計算する際の、簡略化されたアルバーティ・ハメス・アイゲンモデル（a）とチョウモデル（b）の詳細な比較が行われた。^[14]

速度論的に完全な酵素は、特異性定数k _cat / K _mが10 ⁸～ 10 ⁹ M ⁻¹ s ⁻¹程度である。酵素触媒反応の速度は拡散によって制限されるため、酵素は基質が他の分子に遭遇する前に十分に「処理」する。^[1]

いくつかの酵素は拡散速度よりも速い速度で作用しますが、これは不可能に思えます。この現象を説明するために、いくつかのメカニズムが提唱されてきました。いくつかのタンパク質は、双極子電場を使用して基質を引き寄せ、それらを事前に配向することで触媒を加速すると考えられています。また、プロトンまたは電子が活性化障壁をトンネルできる量子力学的トンネル効果の説明を提唱する人もいます。プロトントンネル効果理論は議論の余地のあるアイデアのままでしたが、 ^{[15] [16]}大豆リポキシゲナーゼの場合、それが唯一の可能なメカニズムであることが証明されました。^[17]

運動学的に完璧な酵素は多くありません。これは自然淘汰の観点から説明できます。触媒速度の増加は、生物に何らかの利点をもたらす可能性があるため、好まれる可能性があります。しかし、触媒速度が拡散速度（つまり、活性部位に出入りする基質、および基質との遭遇）を上回ると、速度をさらに上げる利点はなくなります。拡散限界は進化に対する絶対的な物理的制約を表します。^[1]触媒速度を拡散速度を超えて増加させることは、生物にとって何の助けにもならず、したがって適応度地形の全体的な最大値を表します。したがって、これらの完璧な酵素は、たまたま広がった「幸運な」ランダムな突然変異によって生じたか、またはより速い速度が酵素の祖先における別の反応の一部としてかつて有用であったために生じたに違いありません。^[要出典]

• アセチルコリンエステラーゼ
• β-ラクタマーゼ
• カタラーゼ
• 炭酸脱水酵素
• 一酸化炭素脱水素酵素^[18]
• シトクロムcペルオキシダーゼ
• フマラーゼ
• スーパーオキシドディスムターゼ
• トリオースリン酸イソメラーゼ

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