别构效应（1963年J.莫诺等提出的概念）
VLoG
次浏览
更新时间：2023-05-23
别构效应
1963年J.莫诺等提出的概念
别构效应又称为变构效应，是寡聚蛋白与配基结合改变蛋白质的构象，导致蛋白质生物活性改变的现象。别构效应（allosteric effect）某种不直接涉及蛋白质活性的物质，结合于蛋白质活性部位以外的其他部位（别构部位），引起蛋白质分子的构象变化，而导致蛋白质活性改变的现象。
基本信息
| 外文名 | allosteric effect |
| 别名 | 变构效应、别位效应 |
| 提出时间 | 1963年 |
| 释义 | 是寡聚蛋白与配基结合改变蛋白质的构象，导致蛋白质生物活性改变的现象。 |
| 分类 | 同促效应和异促效应 |
简介
一个 蛋白质与其配体（或其他蛋白质）结合后，蛋白质的空间结构发生改变，使它适用于功能的需要，这一类变化称为别构效应或变构效应。
别构部位的概念是1963年由法国科学家J．莫诺等提出来的。影响蛋白质活性的物质称为 别构配体或别构 效应物。该物质作用于蛋白质的某些部位而发生的相互影响称为 协同性。抑制蛋白质活力的现象称为负协同性，该物质称为 负效应物。增加活力的现象称为正 协同性，该物质称为 正效应物。受别构效应调节的蛋白质称为别构蛋白质，如果是酶，则称为 别构酶。
在50年代后期，先后发现某些氨基酸对催化其合成途径第一步反应的酶有抑制作用，这种现象称为反馈抑制。起抑制作用的物质与该酶的底物在结构上完全不同，这种结构不同于底物的抑制物是结合于酶的 活性部位以外的其他部位，即 别构部位而影响酶的活力的。图1以别构酶为例说明正负效应物是如何影响酶活力的。
效应分类
效应通性
催化反应
这个反应是合成胞嘧啶核苷三磷酸（CTP）的第一步，它受终产物CTP反馈抑制，而被腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）激活。酶 反应速度与底物浓度的关系。图中曲线为S型，说明底物有正协同性。加入 负效应物CTP，活力降低，S型更明显。加入 正效应物，活力升高，S型趋势变小，接近双曲线。大多数别构酶均有这种S型曲线。
血红蛋白
J．莫诺指出别构效应是通过蛋白质的构象变化而实现的。在当时对于酶的 构象还缺乏详尽了解，而血红蛋白的精细的空间结构已由M．F．佩鲁茨阐明。血红蛋白是一个别构蛋白质，经过深入研究，现在已能用它的构象变化来阐明别构效应的机制。它的别构效应表现在：①氧结合的正 协同性，氧 饱和曲线与氧分压的关系呈S型曲线，表明在第1个 亚基与O2结合后其他亚基与O2的相继结合越来越容易，第4个亚基的氧结合常数可比第1个的大数百倍。这是因为第1个亚基结合O2后引起 血红蛋白分子的构象变化，促使其他亚基与O2结合。O2的释放过程也是如此，第1个O2释放使留下的O2更易释放。②H+浓度升高（pH降低）使血红蛋白与 O2的亲和力变小（玻尔效应），促进O2的释放。③在恒定pH下CO2能降低血红蛋白与O2的亲和力。④人红细胞中含有的2、3二磷酸甘油酸（BPG），也能降低O2的亲和力。⑤血红蛋白与O2的结合也能抑制其与H+，CO2和BPG的结合。
根据J．莫诺等提出的别构理论，别构酶处于两种构象状态，即紧张态（T态）和松弛态（R态），T态与底物的亲和力低，R态与底物的亲和力高。X射线衍射分析证明了脱氧血红蛋白Hb和氧合血红蛋白HbO2在 构象上的差异。Hb4个亚基（α2β2）之间至少有8对盐桥相联系，紧张态（T态）时O2的结合受到障碍，而在氧结合时这些盐桥被逐步破坏，生成的HbO2结构松散，属于R态，易与O2结合。这就是氧合时协同效应的基?
血红蛋白氧合时构象变化的要点如下：血红素中的铁与O2结合时随即进入卟啉环平面内，将邻近的原来倾斜的组氨酸F8拉直，并带动附近肽链的运动，结果导致αβ亚基相对于另一对αβ亚基转动15°角（。如果将 4个亚基标记为α1。α2，β1和β2，则α2β2之间和G沙之间两个接触面较牢固，没有改变，变动最大的是α1β2（或α2β1）之间的接触面，α1β2（α2β1）界面的变动是T态向R态转变的开关（反之亦然）。在T态向R态转变时，盐桥破坏，当O2释放时，又通过该界面的滑动，盐桥重新恢复，R态又能转变成T态。α1β2（α2β1）界面的氨基酸序列是相当保守的，如在这一序列范围内发生突变则对别构效应有较大影响。
两种效应
CO2效应 CO2与 N-末端的缬氨酸的氨基发生氯甲酰化，形成负电荷，可以稳定T态。
BPG效应是由于它有5个负电荷（主要是4个），在Hb中位于两个β-亚基之间的空隙中，由β-亚基提供8个正电荷（N-末端，His2，LyS82和His143各两个）。有利于稳定T态。氧合之后，两个β-亚基距离减少（铁原子距离由39.9埃减到33.4埃）。而将 BPG排挤出去。
效应作用
别构效应在生命活动调节中起很重要作用。如 阻遏蛋白受小分子物质的影响发生 构象变化，改变了它与DNA结合的牢固程度，从而对 遗传信息的表达进行调控。另如激素受体，神经递质受体等都是通过生物分子的影响发生构象变化而传递信息的。可以说别构效应是生物分子“通讯”地基。
DNA效应
一个国际研究小组通过单分子生物物理等手段严谨地证实了DNA中确实存在别构效应。该研究揭示了DNA一个新的基本性质，不但在物理上非常有趣，而且有重要的生理意义。相关研究发表在近期的《科学》杂志上。
别构效应广泛存在于蛋白质特别是酶中。别构效应是描述远离活性中心的结合到变构位点的效应因子能够通过蛋白质的长程构象变化来影响蛋白质功能（酶活性）的现象。而作为遗传信息的载体，DNA上有很多特异的蛋白结合位点，这些位点在结合了蛋白分子前后会具有较大的构象变化，那么，DNA是否也像蛋白质那样具有别构效应，即结合在同一条DNA双螺旋链上的两个蛋白分子是否在没有直接接触的情况下可以通过DNA双螺旋的构象变化而影响各自的DNA结合能力？比较合理的预期是DNA应该具有别构效应，然而通过常规方法人们一直没有观测到过这种效应。
研究揭示了上述预期的别构效应确实存在于双链DNA中。研究人员在一段DNA双螺旋上设计了两种蛋白分子的结合位点，并且调节其间DNA的长度。通过单分子全内反射荧光显微镜可以观察荧光标记的单个蛋白分子从其DNA结合位点上掉下来的速率，从而测定该蛋白分子对于此位点的相对结合能力。实验表明两个不同的DNA结合蛋白可以影响各自对DNA的结合能力，而且其变化随两个蛋白之间DNA链的长度同时增强或变弱，呈现出一种周期性，这个周期大约是10个碱基对，正好是DNA双螺旋的一个周期，并且这种效应的大小会随着两个蛋白之间的距离增加而衰减。
研究人员进一步通过各种对照实验及分子动力学模拟计算，确认了这种效应不是其它因素（如蛋白－蛋白相互作用、静电相互作用等）造成的，而是由蛋白质结合到DNA上导致的DNA双螺旋的构象变化即DNA的别构效应引起的。
DNA别构效应比较大，约有5倍左右，而这种效应因为传统的系宗实验不够精确而一直无法被测得。此外，DNA的别构效应是DNA的一个基本性质，不依赖于蛋白质的性质及种类。由于很多DNA结合蛋白，如转录因子和 RNA聚合酶等在DNA上经常结合地较近，并协同行使功能，所以现在需要在理解基因调控的时候考虑这一效应。该项工作会还证明了DNA别构效应的确可以在活细胞内影响基因表达，所以这种效应在生理上是重要的。《科学》杂志在同期述评中也指出，这种通过双螺旋DNA导致的别构效应对于基因调控具有深远意义。
