拡散律速酵素

拡散律速酵素は、 反応を非常に効率的に触媒するため、律速段階は基質が活性部位に拡散するか、生成物が活性部位から拡散することです。 ^{[ 2 ]}これは、速度論的完全性または触媒的完全性とも呼ばれます。このような酵素の触媒速度は拡散制御反応によって決まるため、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高さ）となります。拡散律速完全酵素は非常にまれです。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します。これは、困難な反応の化学的制約と、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約の両方によるものです。^{[ 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る^{H₂CO₃の脱水において、実験的に得られた二次速度定数は約1.5×10¹⁰ M⁻¹s⁻¹であることが観察された[} _{5 ]}。これは^、 Alberty ^、 Hammes ^{、およびEigen}が単純化されたモデルに基づいて推定した上限よりも1桁高い値であった^{[ 3 ] [ 4 ] 。}

このような矛盾に対処するため、Kuo-Chen Chouと彼の同僚は、酵素とその基質の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 ]}このモデルは、分子生物学における驚くほど高い反応速度を説明するために使用できます。^{[ 5 ] [ 9 ] [ 10 ]}

Chou らによって発見された酵素-基質反応の新しい上限値は、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 ]}

酵素と基質の拡散律速反応速度、または酵素-基質反応の上限を計算する際の、簡略化されたAlberty-Hammes-Eigenモデル（a）とChouモデル（b）の詳細な比較が論文で詳しく説明されている。^{[ 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のオーダーである。酵素触媒反応の速度は拡散によって制限されるため、酵素は別の分子に遭遇する前に基質を「処理」する。^{[ 1 ]}

酵素の中には、拡散速度よりも速い反応速度で作用するものがあり、これは不可能に思える。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いる。一部のタンパク質は、双極子電場を利用して基質を引き込み、あらかじめ配向させることで触媒作用を加速すると考えられている。また、プロトンや電子が活性化障壁をトンネル効果で通過できるという量子力学的トンネル効果による説明を提唱する者もいる。プロトントンネル理論は依然として議論の的となっているが、 ^{[ 15 ] [ 16 ]}大豆リポキシゲナーゼの場合、これが唯一可能なメカニズムであると示唆されている。^{[ 17 ]}

運動学的に完璧な酵素は多くありません。これは自然選択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、有利になる場合があります。しかし、触媒速度が拡散速度（つまり、基質が活性部位に出入りし、基質と遭遇する速度）を超えると、速度をさらに増加させ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ても、生物には何の役にも立たず、適応度地形におけるグローバル最大値を表します。したがって、これらの完璧な酵素は、たまたま広まった「幸運な」ランダムな突然変異によって生じたか、あるいは、その酵素の祖先において、より速い速度が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。

• 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
• フマセ
• スーパーオキシドジスムターゼ
• トリオースリン酸イソメラーゼ

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