酵素の構造的不安定性

活性部位が特定の環境条件の提供に非常に適しているということは、局所環境の影響を受けやすいということでもあります。 一般に環境温度を上げると、酵素触媒であろうとなかろうと、反応速度が上がることは事実である。 しかし、最適な温度範囲を超えて温度を上げたり下げたりすると、活性部位内の化学結合に影響を与え、基質との結合がうまくいかなくなることがある。 高温は、他の生体分子と同様に、最終的に酵素を変性させ、物質本来の性質を変化させる原因となる。 同様に、局所的な環境のpHも、酵素の機能に影響を与えることがある。 活性部位のアミノ酸残基は、触媒作用に最適な酸性または塩基性の特性をそれぞれ持っています。 これらの残基は、pH の変化に敏感で、基質分子の結合方法を損なうことがあります。 酵素は特定の pH 範囲で最もよく機能するようにできており、温度と同様に、環境の極端な pH 値 (酸性または塩基性) は酵素を変性させる原因となる。 酵素には最適なpHがある。 酵素が最も活性化するpHは、活性部位のR基がプロトン化/デプロトン化し、基質が活性部位に入り、反応の最初の段階を開始できるpHとなる。 酵素の中には、完全に活性化するために非常に低いpH（酸性）を必要とするものがあります。 人体では、これらの酵素は胃の下部にあるか、リソソーム（細胞内の大きな化合物を消化するための細胞小器官）に存在する可能性が高いです。 http://biowiki.ucdavis.edu/Biochemis…_pH_Inhibition

酵素が変性するプロセスは、通常、3次構造を一緒に保持している結合の不安定化を通じて、3次構造の巻き戻しから始まります。 水素結合、イオン結合、共有結合（ジスルフィド橋やペプチド結合）はすべて、温度やpHの大きな変化によって破壊される可能性があります。 下の酵素活性と温度の表を使って、赤い酵素のエネルギーストーリーを作ろう。 37 ℃から 95 ℃まで何が起こっているかを説明しなさい。 酵素には至適温度がある。 酵素が最も活性化する温度は、通常、酵素の構造が安定または損なわれていない温度となる。 酵素の中には、活性を維持し、変性しないために特定の温度を必要とするものがある。 出典 http://academic.brooklyn.cuny.edu/bi…ge/enz_act.htm

Induced fit and enzyme function

長年にわたり、科学者は、酵素と基質の結合は単純な「ロック アンド キー」方式で行われると考えていました。 このモデルは、酵素と基質が1つの瞬間的なステップで完全に適合することを主張する。 しかし、現在の研究では、より洗練された「誘導結合」という考え方が支持されている。 誘導結合モデルとは、ロックアンドキーモデルを発展させたもので、酵素と基質がよりダイナミックに相互作用するモデルである。 酵素と基質が結合すると、その相互作用によって酵素の構造に穏やかな変化が起こり、酵素と基質の遷移状態との間に、より生産的な結合配置が確認されるのである。 このエネルギー的に有利な結合は、酵素がその反応を触媒する能力を最大化する。

酵素がその基質を結合すると、酵素-基質複合体が形成される。 この複合体は、反応の活性化エネルギーを低下させ、多くの方法のうちの1つでその急速な進行を促進する。 基本的には、酵素は複数の基質が関与する化学反応を、基質を最適な向きに引き合わせることで促進する。 ある分子の適切な領域（原子と結合）が、反応すべき他の分子の適切な領域と並置されるのである。 酵素が基質の反応を促進するもう一つの方法は、反応が起こるためにエネルギー的に有利な環境を活性部位内に作り出すことである。 ある種の化学反応は、弱酸性や無極性の環境下で最もうまく進むかもしれない。 活性部位内のアミノ酸残基の特定の配置から生まれる化学的特性は、酵素の特定の基質が反応するためにエネルギー的に有利な環境を作り出す。

多くの反応に必要な活性化エネルギーには、化学結合がより容易に反応できるようにわずかに歪めるのに関わるエネルギーが含まれる。 酵素の働きはこのプロセスを助けることができる。 酵素-基質複合体は、結合の切断を容易にするように基質分子を変形させることによって、活性化エネルギーを低下させることができる。 最後に、酵素は化学反応そのものに関与することによっても活性化エネルギーを低下させることができる。 アミノ酸残基は、反応プロセスの必要な段階として、基質分子と実際に共有結合を形成する特定のイオンや化学基を提供することができる。 このような場合、酵素は反応終了時に必ず元の状態に戻ることを覚えておくことが重要である。 酵素の特徴的な性質として、触媒する反応によって最終的に変化しないことが挙げられます。 酵素は反応の触媒を終えた後、その生成物を放出する。

図6. 誘導適合モデルによると、酵素と基質は共に結合時に動的な構造変化を起こす。 酵素は基質をその遷移状態に変形させ、それによって反応速度を増加させる。