別構效應

一個 蛋白質與其配體（或其他蛋白質）結合后，蛋白質的空間結構發生改變，使它適用於功能的需要，這一類變化稱為別構效應或變構效應。

別構部位的概念是1963年由法國科學家J．莫諾等提出來的。影響蛋白質活性的物質稱為 別構配體或別構 效應物。該物質作用於蛋白質的某些部位而發生的相互影響稱為 協同性。抑制蛋白質活力的現象稱為負協同性，該物質稱為 負效應物。增加活力的現象稱為正 協同性，該物質稱為 正效應物。受別構效應調節的蛋白質稱為別構蛋白質，如果是酶，則稱為 別構酶。

在50年代後期，先後發現某些氨基酸對催化其合成途徑第一步反應的酶有抑制作用，這種現象稱為反饋抑制。起抑制作用的物質與該酶的底物在結構上完全不同，這種結構不同於底物的抑制物是結合於酶的 活性部位以外的其他部位，即 別構部位而影響酶的活力的。圖1以別構酶為例說明正負效應物是如何影響酶活力的。

別構效應可分為同促效應和 異促效應兩類。相同 配體（相同的 結合部位）引起的反應稱為 同促效應，例如 寡聚體酶或蛋白質（如血紅蛋白）各 亞基之間的協同作用即是同促效應。同促效應是同一種物質作用於不同 亞基的相同部位而發生影響，因此是別構效應。不同 配體（不同的 結合部位）引起的反應稱為異促效應，例如別構酶的別構結合部位和底物結合部位之間的反應即是異促效應。

1965年 J．莫諾等提出，具有別構效應的體系應具有以下的通性：①大部份別構蛋白質是含有幾個亞單位的寡聚體或多聚體。②別構效應常和蛋白質的 四級結構變化有關（即 亞基間鍵的變化）。③異促效應可以是正的或負的，而 同促效應總是正的協同作用。④已經知道的僅具有異促效應的體系很少，但多數含有兩個或多個配體的體系中，至少有一個配體具有協同性質的 同促效應。⑤任何能改變異促效應的條件，處理或突變也同時能改變 同促效應。

研究得較為清楚的別構酶是大腸桿菌的天冬氨酸轉氨甲醯酶，簡稱ATC酶，催化下列反應：

氨甲醯磷酸+L—天冬氨酸→N—氨醯基—L—天冬氨酸+磷酸

這個反應是合成胞嘧啶核苷三磷酸（CTP）的第一步，它受終產物CTP反饋抑制，而被腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）激活。酶 反應速度與底物濃度的關係。圖中曲線為S型，說明底物有正協同性。加入 負效應物CTP，活力降低，S型更明顯。加入 正效應物，活力升高，S型趨勢變小，接近雙曲線。大多數別構酶均有這種S型曲線。

ATC酶經過溫和的化學處理，如用對羥基汞苯甲酸（PCMB）處理可解聚為兩個催化亞基（為三聚體）和 3個調節亞基（為二聚體）。催化亞基仍有催化活力，但不再受 效應物影響，調節亞基無催化活力，但仍能結合效應物。更劇烈的處理，如用十二烷基硫酸鈉（SDS）處理，則催化亞基和調節亞基都各 解聚成6個單體。

ATC酶受CTP抑制的生物學意義是避免合成過多的CTP，而受ATP激活是為了保持嘌呤和嘧啶核苷酸合成的速度相稱，以滿足合成核酸的需要。別構酶在 代謝調節中起著重要的作用。在 合成代謝中催化第一步反應的酶或 分支點的第一個酶往往是別構酶，以避免形成一系列過多的中間體和終產物。在 分解代謝途徑中，則有一個或幾個 關鍵酶為別構酶。如 糖酵解途徑中的 磷酸果糖激酶是一個重要的 調節酶，它受ATP抑制，而AMP可逆轉 ATP的抑制作用。故當 ATP/AMP比值降低時，也就是細胞內能荷降低時，糖酵解被促進，從而提供較多的 能量。

J．莫諾指出別構效應是通過蛋白質的構象變化而實現的。在當時對於酶的 構象還缺乏詳盡了解，而血紅蛋白的精細的空間結構已由M．F．佩魯茨闡明。血紅蛋白是一個別構蛋白質，經過深入研究，現在已能用它的構象變化來闡明別構效應的機制。它的別構效應表現在：①氧結合的正 協同性，氧 飽和曲線與氧分壓的關係呈S型曲線，表明在第1個 亞基與O2結合后其他亞基與O2的相繼結合越來越容易，第4個亞基的氧結合常數可比第1個的大數百倍。這是因為第1個亞基結合O2后引起 血紅蛋白分子的構象變化，促使其他亞基與O2結合。O2的釋放過程也是如此，第1個O2釋放使留下的O2更易釋放。②H+濃度升高（pH降低）使血紅蛋白與 O2的親和力變小（玻爾效應），促進O2的釋放。③在恆定pH下CO2能降低血紅蛋白與O2的親和力。④人紅細胞中含有的2、3二磷酸甘油酸（BPG），也能降低O2的親和力。⑤血紅蛋白與O2的結合也能抑制其與H+，CO2和BPG的結合。

根據J．莫諾等提出的別構理論，別構酶處於兩種構象狀態，即緊張態（T態）和鬆弛態（R態），T態與底物的親和力低，R態與底物的親和力高。X射線衍射分析證明了脫氧血紅蛋白Hb和氧合血紅蛋白HbO2在 構象上的差異。Hb4個亞基（α2β2）之間至少有8對鹽橋相聯繫，緊張態（T態）時O2的結合受到障礙，而在氧結合時這些鹽橋被逐步破壞，生成的HbO2結構鬆散，屬於R態，易與O2結合。這就是氧合時協同效應的基?

血紅蛋白氧合時構象變化的要點如下：血紅素中的鐵與O2結合時隨即進入卟啉環平面內，將鄰近的原來傾斜的組氨酸F8拉直，並帶動附近肽鏈的運動，結果導致αβ亞基相對於另一對αβ亞基轉動15°角（。如果將 4個亞基標記為α1。α2，β1和β2，則α2β2之間和G沙之間兩個接觸面較牢固，沒有改變，變動最大的是α1β2（或α2β1）之間的接觸面，α1β2（α2β1）界面的變動是T態向R態轉變的開關（反之亦然）。在T態向R態轉變時，鹽橋破壞，當O2釋放時，又通過該界面的滑動，鹽橋重新恢復，R態又能轉變成T態。α1β2（α2β1）界面的氨基酸序列是相當保守的，如在這一序列範圍內發生突變則對別構效應有較大影響。

利用別構理論6T以解釋血紅蛋白的一系列特殊的性質，例如波爾效成的分子機制是當H+濃度增高時，主要使卜亞基 C-末端的卜146 HiS側鏈咪浚基（占波爾效應的40%），α亞基N-末端氨基（佔25%），和α122His（佔10%）以及其他組氨酸或賴氨酸的質子化，這樣加強了鹽橋，穩定了T態，O2不易結合。由於在Hb中β-146His受鄰近的β-94ASP負電荷的影響更易質子化，而在HbO2中該His遠離β-94ASP，質子化傾向降低。所以 H+與Hb的親和力要比與HbO2的親和力更強。

CO2效應 CO2與 N-末端的纈氨酸的氨基發生氯甲醯化，形成負電荷，可以穩定T態。

BPG效應是由於它有5個負電荷（主要是4個），在Hb中位於兩個β-亞基之間的空隙中，由β-亞基提供8個正電荷（N-末端，His2，LyS82和His143各兩個）。有利於穩定T態。氧合之後，兩個β-亞基距離減少（鐵原子距離由39.9埃減到33.4埃）。而將 BPG排擠出去。

別構效應在生命活動調節中起很重要作用。如 阻遏蛋白受小分子物質的影響發生 構象變化，改變了它與DNA結合的牢固程度，從而對 遺傳信息的表達進行調控。另如激素受體，神經遞質受體等都是通過生物分子的影響發生構象變化而傳遞信息的。可以說別構效應是生物分子“通訊”地基。

一個國際研究小組通過單分子生物物理等手段嚴謹地證實了DNA中確實存在別構效應。該研究揭示了DNA一個新的基本性質，不但在物理上非常有趣，而且有重要的生理意義。相關研究發表在近期的《科學》雜誌上。

別構效應廣泛存在於蛋白質特別是酶中。別構效應是描述遠離活性中心的結合到變構位點的效應因子能夠通過蛋白質的長程構象變化來影響蛋白質功能（酶活性）的現象。而作為遺傳信息的載體，DNA上有很多特異的蛋白結合位點，這些位點在結合了蛋白分子前後會具有較大的構象變化，那麼，DNA是否也像蛋白質那樣具有別構效應，即結合在同一條DNA雙螺旋鏈上的兩個蛋白分子是否在沒有直接接觸的情況下可以通過DNA雙螺旋的構象變化而影響各自的DNA結合能力？比較合理的預期是DNA應該具有別構效應，然而通過常規方法人們一直沒有觀測到過這種效應。

研究揭示了上述預期的別構效應確實存在於雙鏈DNA中。研究人員在一段DNA雙螺旋上設計了兩種蛋白分子的結合位點，並且調節其間DNA的長度。通過單分子全內反射熒光顯微鏡可以觀察熒游標記的單個蛋白分子從其DNA結合位點上掉下來的速率，從而測定該蛋白分子對於此位點的相對結合能力。實驗表明兩個不同的DNA結合蛋白可以影響各自對DNA的結合能力，而且其變化隨兩個蛋白之間DNA鏈的長度同時增強或變弱，呈現出一種周期性，這個周期大約是10個鹼基對，正好是DNA雙螺旋的一個周期，並且這種效應的大小會隨著兩個蛋白之間的距離增加而衰減。

研究人員進一步通過各種對照實驗及分子動力學模擬計算，確認了這種效應不是其它因素（如蛋白－蛋白相互作用、靜電相互作用等）造成的，而是由蛋白質結合到DNA上導致的DNA雙螺旋的構象變化即DNA的別構效應引起的。

DNA別構效應比較大，約有5倍左右，而這種效應因為傳統的系宗實驗不夠精確而一直無法被測得。此外，DNA的別構效應是DNA的一個基本性質，不依賴於蛋白質的性質及種類。由於很多DNA結合蛋白，如轉錄因子和 RNA聚合酶等在DNA上經常結合地較近，並協同行使功能，所以現在需要在理解基因調控的時候考慮這一效應。該項工作會還證明了DNA別構效應的確可以在活細胞內影響基因表達，所以這種效應在生理上是重要的。《科學》雜誌在同期述評中也指出，這種通過雙螺旋DNA導致的別構效應對於基因調控具有深遠意義。