酵素触媒作用

酵素と基質の相互作用により、反応性化学基が整列し、最適な幾何構造で互いに接近した状態になるため、反応速度が上昇します。これにより反応物のエントロピーが減少し、2つの反応物が1つの生成物になるときに全体のエントロピーが減少するため、付加反応や転移反応が起こりやすくなります。ただし、これは一般的な効果であり、試薬の「有効濃度」の増加によって起こる非付加反応や非転移反応でも見られます。濃度の上昇が反応速度の上昇につながる仕組みを考えると、これは理解できます。つまり、反応物の濃度が高いほど、衝突の頻度が高くなり、反応の頻度も高くなります。酵素触媒では、試薬が酵素に結合することで反応物の立体配座空間が制限され、反応物が「適切な配向」で互いに接近した状態になるため、衝突の頻度が高くなり、正しい幾何構造で衝突することで、目的の反応が促進されます。「有効濃度」とは、溶液中に遊離した状態で反応物が同じ衝突頻度を経験するために必要な濃度です。こうした理論上の有効濃度は、多くの場合、非物理的であり、現実には実現不可能である。これは、多くの酵素が持つ優れた触媒能力、すなわち触媒なしの状態に比べて反応速度が大幅に向上することの証である。

しかし、現代の計算研究では、近接効果の従来の例は酵素のエントロピー効果に直接関係づけることはできないことが明らかになっているため、状況はより複雑である可能性がある。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}また、元のエントロピー提案^{[ 10 ]}は、触媒作用に対する配向エントロピーの寄与を大幅に過大評価していることがわかっている。^{[ 11 ]}

プロトン供与体と受容体、すなわち酸と塩基は、遷移状態における電荷の発生を安定化するためにプロトンを供与および受容する。これは、触媒作用の全体的な原理、すなわちエネルギー障壁の低減に関連している。一般に遷移状態は高エネルギー状態であり、それを安定化することでこの高エネルギーが低減され、障壁が低くなるからである。多くの非生物触媒作用に対する酵素触媒作用の重要な特徴は、酸触媒作用と塩基触媒作用の両方を同じ反応で組み合わせることができる点である。多くの非生物系では、酸（高濃度の[H+]）または塩基（高濃度のH+シンク、または電子対を持つ種）が反応速度を増加させることができるが、もちろん環境は全体として1つのpH（酸性度または塩基性度（アルカリ度）の尺度）しか持たない。しかし、酵素は大きな分子であるため、基質と相互作用するために活性部位に酸性基と塩基性基の両方を配置することができ、バルクpHとは無関係に両方のモードを利用できる。

求核基や求電子基を活性化したり、脱離基を安定化させたりするために、一般的に酸または塩基触媒が用いられることが多い。グルタミン酸、アスパラギン酸、ヒスチジン、シスチン、チロシン、リジン、アルギニン、セリン、トレオニンなど、酸性基または塩基性基を持つ多くのアミノ酸が活性部位でこのように利用されている。さらに、カルボニル基とアミドN基を持つペプチド骨格もよく利用される。シスチンとヒスチジンはどちらもpKaが中性pHに近いため、プロトンの受容と供与の両方が可能であり、非常に一般的に関与している。

酸塩基触媒反応を含む多くの反応機構では、pKa値が大幅に変化することが前提となっている。このpKa値の変化は、残基の局所的な環境によって可能となる。

pKaは周囲の環境によって大きく影響を受けることもあり、溶液中で塩基性を示す残基がプロトン供与体として作用したり、その逆の作用を示す場合もある。

pKa の変化は静電機構の純粋な部分である。^{[ 12 ]}上記の例の触媒効果は主にオキシアニオンの pKa の減少とヒスチジンの pKa の増加に関連しており、セリンからヒスチジンへのプロトン移動は律速段階ではないため、大きく触媒されない。^{[ 13 ]}示された例では、ヒスチジン共役酸が、四面体中間体からのアミンのその後の脱離に対する一般酸触媒として作用することに注意。この提案された機構を支持する証拠 (文献 13 の図 4) ^{[ 14 ]}は、しかしながら、議論されている。^{[ 15 ]}

荷電遷移状態の安定化は、活性部位の残基が中間体とイオン結合（または部分的なイオン電荷相互作用）を形成することによっても起こり得る。これらの結合は、リジン、アルギニン、アスパラギン酸、グルタミン酸などのアミノ酸に存在する酸性または塩基性の側鎖、あるいは亜鉛などの金属補因子に由来する。金属イオンは特に効果的であり、水のpKaを十分に低下させて効果的な求核剤にすることができる。

体系的なコンピュータシミュレーション研究により、静電効果が触媒作用に最も大きく寄与し、^{[ 12 ]}反応速度を最大で 10 ⁷倍まで増加させることができることが明らかになっています。^{[ 16 ]}特に、酵素は水よりも極性の高い環境を提供し、イオン遷移状態は固定双極子によって安定化されることがわかっています。これは、イオン状態や荷電状態を安定化するために水分子が「再編成エネルギー」^{[ 17 ]}を支払わなければならない水中での遷移状態の安定化とは大きく異なります。したがって、触媒作用は、酵素の極性基があらかじめ組織化されているという事実と関連しています。^{[ 18 ]}

酵素の活性部位によって生じる静電場の大きさは、酵素の触媒速度の向上と高い相関があることが示されている。^{[ 19 ]}

基質の結合は通常、活性部位から水を排除し、それによって局所誘電率を有機溶媒の誘電率まで低下させる。これにより、荷電/極性基質と活性部位との間の静電相互作用が強化される。さらに、活性部位周辺の電荷分布は、触媒反応の遷移状態を安定化するように配置されていることが研究によって示されている。いくつかの酵素では、これらの電荷分布は極性基質を結合部位へと導く役割を果たし、その結果、これらの酵素反応の速度は見かけ上の拡散律速限界よりも大きくなる。

酵素-基質複合体の誘電率を単一の低い巨視的値として記述することは、著しい単純化である。実際には、タンパク質の実効的な巨視的誘電率は比較的高くなる可能性がある（例えば、^{[ 20 ] [ 21 ]}を参照）。最も重要なのは、酵素の活性部位は極性の高い環境であり、遷移状態を安定化するために極性基があらかじめ配置されているということである。

共有結合触媒作用では、基質が酵素の活性部位の残基または補因子と一時的な共有結合を形成します。これにより、反応に新たな共有結合中間体が加わり、反応の後の遷移状態のエネルギー低下に役立ちます。酵素を再生するには、反応の後の段階で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といった触媒三残基酵素によって利用され、アシル酵素中間体が形成されます。別のメカニズムとしては、解糖系におけるアルドラーゼ酵素に見られるように、リジン残基の遊離アミンを用いたシッフ塩基形成があります。

一部の酵素は、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、反応物分子と共有結合中間体を形成する。 ^{[ 22 ] [ 23 ]}このような共有結合中間体は、活性部位のアミノ酸残基と形成される共有結合中間体が安定化を可能にするのと同様に、後の遷移状態のエネルギーを低下させる機能を持つが、補因子の機能により、酵素はアミノ酸側鎖残基だけでは実行できない反応を実行できる。このような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トランスアミナーゼや、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る。^{[ 24 ] [ 25 ]}

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反応の代替経路（共有結合中間体を経由して）を提供するので、真の触媒作用とは異なります。 ^{[ 12 ]}例えば、キモトリプシン中のセリン分子への共有結合のエネルギーは、触媒なしの溶液反応における求核剤へのよく理解されている共有結合と比較する必要があります。共有結合触媒作用の真の提案（障壁が溶液中の対応する障壁よりも低い場合）には、例えば、酵素グループによる遷移状態への部分的な共有結合（例えば、非常に強い水素結合）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。

活性部位の金属イオンは、電荷の安定化と遮蔽を配位することで触媒作用に関与します。金属は正電荷を持つため、金属イオンによって安定化できるのは負電荷のみです。^{[ 26 ]}しかし、金属イオンはpHの変化の影響を受けないため、生物学的触媒作用において有利です。^{[ 27 ]}金属イオンは、ルイス酸として作用することで水をイオン化することもできます。^{[ 28 ]}金属イオンは、酸化還元剤となることもあります。^{[ 29 ]}

これは誘導適合結合の主な効果であり、酵素の遷移状態に対する親和性が基質自体に対する親和性よりも高い場合に生じる。これにより構造的な再配列が誘発され、基質結合が遷移状態の立体構造により近い位置に引き伸ばされるため、基質と遷移状態間のエネルギー差が小さくなり、反応の触媒作用が促進される。

しかし、歪み効果は実際には遷移状態の安定化効果ではなく、基底状態の不安定化効果である。^{[ 12 ] [ 30 ]}さらに、酵素は非常に柔軟であり、大きな歪み効果を適用することはできません。^{[ 31 ]}

基質における結合歪みに加えて、酵素自体にも結合歪みが生じ、活性部位の残基を活性化する可能性がある。

これらの従来の「障壁を越える」メカニズムは、場合によっては「障壁を通り抜ける」メカニズム（量子トンネル効果）のモデルと観測によって異議を唱えられてきました。一部の酵素は、古典的な ΔG ^‡で予測されるよりも速い速度で動作します。「障壁を通り抜ける」モデルでは、プロトンまたは電子が活性化障壁をトンネル効果で通過できます。^{[ 33 ] [ 34 ]}プロトンの量子トンネル効果は、芳香族アミン脱水素酵素によるトリプタミン酸化で観測されています。^{[ 35 ]}

量子トンネル効果は、溶液中の触媒反応と非触媒反応でトンネル効果の寄与が類似しているため、大きな触媒的利点をもたらすようには見えない。^{[ 34 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}しかし、トンネル効果の寄与（古典的な「障壁を越える」経路の反応速度と比較して、通常、速度定数を約1000倍に高める^{[ 35 ]}）は、生物の生存にとって重要である可能性が高い。これは、生物学におけるトンネル反応の一般的な重要性を強調している。しかし、上述のように、溶液中の対応する参照反応でも同じ増強が存在するため、これは真の触媒効果を表すものではない。

1971年から1972年にかけて、酵素触媒の最初の量子力学的モデルが定式化されました。^{[ 39 ] [ 40 ]}しかし、この研究では酵素環境の表現は含まれておらず、関連するポテンシャルエネルギー面も提供されていませんでした。したがって、酵素触媒の真の量子力学的研究とはみなすことはできません。このような研究は、量子力学/分子力学（QM/MM）法の複合開発によってのみ可能になりました。^{[ 41 ]}

酵素-基質複合体の結合エネルギーは、基質活性化に必要な外部エネルギーとはみなせない。高エネルギー含量の酵素は、まず酵素の触媒部位から特定のエネルギー基X ₁を最初の結合反応物の最終位置に移動させ、次に2番目の結合反応物（または単一の反応物の2番目の基）から別の基X ₂を活性部位に移動させて、基質の生成物への変換と酵素の再生を完了させる必要がある。^{[ 42 ]}

酵素反応全体は、2つのカップリング反応として表すことができる。

反応（1 ）から、活性酵素の基 X _{1が生成物中に現れるのは、酵素内部での交換反応によって静電阻害と原子の反発の両方を回避できる可能性があるからであることがわかる。したがって、活性酵素は酵素反応の強力な反応物として表される。反応（} 2）は基質の不完全な変換を示している。これは基質の基 X _{2 が}酵素内部に残っているためである。このアプローチは、以前は仮説上の極めて高い酵素変換率（触媒的に完全な酵素）に基づいて提案されたアイデアである。^{[ 43 ]}

このアプローチの検証における重要な点は、触媒が酵素と反応の転移基との複合体でなければならないということである。この化学的側面は、いくつかの酵素反応のよく研究されたメカニズムによって裏付けられている。セリンプロテアーゼファミリーのよく研究されたメンバーである純粋なタンパク質α-キモトリプシン（補因子なしで作用する酵素）によって触媒されるペプチド結合加水分解反応を考えてみよう。^{[ 44 ]}

本反応の実験結果を、2つの化学反応段階として示す。

ここで、S ₁はポリペプチド、P ₁および P ₂は生成物である。最初の化学ステップ ( 3 ) では、共有結合アシル酵素中間体の形成が含まれる。2 番目のステップ ( 4 ) は脱アシル化ステップである。酵素上に最初に存在し、水中には存在しない H+ 基は、加水分解ステップの前に生成物中に現れるため、酵素反応の追加基とみなすことができる。

したがって、反応（3）は、酵素が反応の強力な反応物として作用することを示している。提案された概念によれば、酵素からの水素輸送は、最初の反応物の変換、すなわち最初の初期化学結合（P1基とP2基の間）の切断を促進する_。加水_分解の段階は、2番目の化学結合の切断と酵素の再生につながる。

提案された化学反応機構は、培地中の基質または生成物の濃度に依存しません。しかし、それらの濃度の変化は、水溶液中のSまたはPのいずれであっても、すべての分子の自由エネルギー含有量の変化により、反応（1）および（2）の最初のステップと最後のステップで主に自由エネルギーの変化を引き起こします。このアプローチは、次の筋収縮のメカニズムと一致しています。骨格筋におけるATP加水分解の最終ステップは、ミオシンヘッドとアクチンの結合によって引き起こされる生成物の放出です。^{[ 45 ]}結合反応中のアクチン結合溝の閉鎖は、ミオシン活性部位のヌクレオチド結合ポケットの開口と構造的に連動しています。^{[ 46 ]}

特に、ATP加水分解の最終段階では、リン酸の急速な放出とADPの緩やかな放出が起こります。^{[ 47 ] [ 48 ]} リン酸アニオンは分子量が小さいため、結合したADPアニオンから水溶液中にリン酸アニオンが放出される反応は発エルゴン反応とみなすことができます。

したがって、無機リン酸 H ₂ PO ₄ ⁻の一次放出により、ATP 加水分解の自由エネルギーのかなりの部分が溶媒和リン酸の運動エネルギーに変換され、アクティブ ストリーミングが発生するという結論に至ります。この局所的な機械化学的変換の仮定は、ATP 加水分解によって生成されたアクティブ ストリーミングの統合された作用から筋力が生まれるという Tirosh の筋収縮のメカニズムと一致しています。^{[ 49 ] [ 50 ]}

トリオースリン酸イソメラーゼ（EC 5.3.1.1）は、2つのトリオースリン酸異性体であるジヒドロキシアセトンリン酸とD-グリセルアルデヒド3-リン酸の可逆的な相互変換を触媒する。

トリプシン（EC 3.4.21.4）は、触媒三残基を用いて共有結合触媒作用を行い、オキシアニオンホールを用いて遷移状態における電荷蓄積を安定化させることで、リジンまたはアルギニン残基の後にタンパク質基質を切断するセリンプロテアーゼである。

アルドラーゼ（EC 4.1.2.13 ）は、フルクトース1,6-ビスリン酸（F-1,6-BP）をグリセルアルデヒド3-リン酸とジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP ）に分解する反応を触媒する。