基本介紹
- 中文名：別構效應
- 外文名：allosteric effect
- 別名：變構效應
- 提出時間：1963年
英文名稱,簡介,效應分類,效應通性,簡介,催化反應,血紅蛋白,兩種效應,效應作用,DNA效應,
英文名稱
allosteric effect
簡介
別構效應亦稱“別位效應”或“變構效應”。生物體中某些蛋白質在不同的生理過程中與一些其他分子結合，使其結構改變，從而改變其生理活性的現象。別構效應是生物體代謝調節的重要方式之一。如某些酶作用的最終產物，可與酶結合引起變構，使活力降低，從而達到反饋抑制的效果。又如血紅蛋白有四個亞基，當第一個亞基與氧結合後，產生別構效應，使其他亞基更易與氧結合。
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，先後發現某些胺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。
效應分類
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。
效應通性
簡介
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。
催化反應
氨甲醯磷酸+L—天冬氨酸→N—氨醯基—L—天冬氨酸+磷酸
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。
血紅蛋白
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，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結合後其他亞基與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後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??
兩種效應
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。
效應作用
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。
DNA效應
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，那么，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螢光顯微鏡可以觀察螢光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。
