变构酶：特征，作用机理，实例 - 生物学 - 2025

的变构酶（来自希腊语：异体，不同+音响，三维空间）是在其中地形不同位点之间发生间接的相互作用，通过底物和调节分子（配体）的结合的蛋白质。

配体与特定位点的结合受另一效应子配体（或调节剂配体）与酶上不同（变构）位点结合的影响。这称为变构相互作用或协作相互作用。

酶的例子。资料来源：托马斯·沙菲

当效应配体增加另一配体与酶的结合亲和力时，协同作用为正。当亲和力降低时，合作性为负。如果两个相同的配体参与协同相互作用，则效果是同质的；如果两个配体不同，则效果是异质的。

合作相互作用在三级和四级结构水平上产生了酶分子结构的可逆变化。这些更改称为构象更改。

历史

变构相互作用的概念出现于50多年前。它随着时间的流逝而发展，即：

-1903年，观察到血红蛋白与氧气结合的S形曲线。

-1910年，使用希尔方程在数学上描述了O ₂与血红蛋白结合的S形曲线。

-1954年，诺维克（Nickick）和西拉德（Szilard）显示，位于代谢途径开始处的一种酶被该途径的终产物抑制，这被称为负反馈。

-1956年，Umbarger发现L-苏氨酸脱氨酶是L-异亮氨酸生物合成途径的第一个酶，被L-异亮氨酸抑制，并且没有典型的双曲线曲线的Michaelis-Menten动力学，而是有一个S型曲线。

-1963年，Peruttz等人通过X射线发现了血红蛋白与氧气结合时其结构的构象变化。莫诺（Monod）和雅各布（Jacob）将监管网站重命名为“变构网站”。

-1965年，Monod，Wyman和Changeux提出了对称模型或MWC模型（Monod，Wyman和Changeux的首字母）来解释变构相互作用。

-1966年，Koshland，Nemethy和Filmer提出了顺序或诱导耦合模型或KNF模型，以解释变构相互作用。

-1988年，天冬氨酸转氨酶的X射线结构证明了Monod，Wyman和Changeux提出的对称模型。

-在1990年代，突变，共价修饰和pH值变化被认为是变构效应子。

-1996年，紫胶阻遏物的X射线结构表现出变构转变。

行动机制和实例

变构调节的MWC和KNF模型的特征

MWC模型

MWC模型的原始假设提出以下内容（Monod，Wyman，Changeux，1965年）

变构蛋白是由对称相关的启动子组成的寡聚体。启动子由多肽链或亚基组成。

低聚物具有至少两个构象状态（R和T）。（具有四级结构的）这两种状态自发地建立平衡，有或没有结合的配体。

当发生从一种状态到另一种状态的转变时，对称性得以保留，并且一个或多个立体特异性位点对配体的亲和力也发生了变化。

这样，配体的协同结合源自亚基之间的协同相互作用。

KNF模型

KNF模型假设提出以下建议（Koshland，Nemethy，Filmer，1966）：配体结合在亚基中产生三级结构变化。这种构象变化影响相邻的亚基。

蛋白质配体的结合亲和力取决于其结合在一起的配体的数量。因此，变构蛋白具有包括中间状态的多种构象状态。

在过去的五十年中，已通过生化和结构研究评估了MWC和KNF模型。结果表明，许多变构蛋白，包括酶，都符合MWC模型中的建议，尽管有例外。

MWC模型和变构酶（或变构调节酶）

变构酶通常比非变构酶更大，更复杂。天冬氨酸转氨甲酰酶（Asp转氨甲酰酶或ATCase）和磷酸果糖激酶-1（PFK-1）是符合MWC模型的变构酶的经典实例。

AT之家

ATCase催化嘧啶核苷酸生物合成途径的第一反应（CTP和UTP），并使用Asp作为底物。ATCase的结构由催化和调节亚基组成。ATCase具有两个构象状态R和T。这两个状态之间的对称性是保守的。

ATCase的动力学（具有不同浓度的天冬氨酸的ATCase初始速率）的特征为S型曲线。这表明ATCasa具有协作行为。

ATCase被CTP抑制了反馈。在存在CTP的情况下，ATCase的S形曲线在不存在CTP的情况下，在ATCase的S形曲线的右侧。证明了米氏常数的值（K _m）的增加。

也就是说，与不存在CTP的ATCase相比，在存在CTP的情况下，ATCase需要更高浓度的天冬氨酸才能达到最大速率（V _max）的一半。

总之，CTP是一种异向阴性的变构效应物，因为它降低了ATCase对天冬氨酸的亲和力。这种行为称为负合作性。

PFK – 1

PFK-1催化糖酵解途径的第三次反应。该反应包括磷酸基团从ATP到果糖6-磷酸的转移。PFK-1的结构是四聚体，具有两个构象状态R和T。这两个状态之间的对称性得以保留。

PFK-1的动力学（不同浓度的果糖6-磷酸酯的初始速率）显示出S型曲线。PFK-1受ATP，AMP和果糖2,6-双磷酸酯的复杂变构调节，即：

在存在高浓度ATP的情况下，PFK-1的S形曲线在低ATP的情况下位于S形曲线的右侧（图4）。证明了米氏常数的值（K _m）的增加。

在存在高浓度ATP的情况下，PFK-1需要较高浓度的果糖6-磷酸酯才能达到最大速率（V _max）的一半。

总之，ATP除了是底物外，还具有负向异性变构效应，因为它降低了PFK-1对果糖6磷酸的亲和力。

在存在AMP的情况下，PFK-1的S形曲线在存在ATP的情况下位于PFK-1的S形曲线的左侧。即，AMP消除了ATP的抑制作用。

在存在AMP的情况下，PFK-1需要较低浓度的果糖6-磷酸酯才能达到最大速率（V _max）的一半。这表现在迈克尔利斯门登常数（K _m）的值减小的事实。

总之，AMP是一种正向异性变构效应物，因为它增加了PFK-1对果糖6-磷酸的结合亲和力。2,6-二磷酸果糖（F2,6BP）是PFK-1的有效变构活化剂（图5），其行为与AMP相似。

MWC模型是通用的，但不是通用的

在PDB（蛋白质数据库）中沉积的总蛋白质结构中，一半为低聚物，另一半为单体。已经表明，协同作用不需要多个配体或多个亚基的组装。葡萄糖激酶和其他酶就是这种情况。

葡糖激酶是单体的，具有多肽链，并且响应于增加的血糖浓度而表现出S形动力学（Porter和Miller，2012； Kamata等，2004）。

有不同的模型可以解释单体酶的协同动力学，即：助记符模型，配体诱导的慢转变模型，生物分子反应中底物的随机添加，慢构象变化的类型等。

对葡萄糖激酶结构的研究支持了助记符模型

正常人葡萄糖激酶的葡萄糖K _m为8 mM。该值接近血糖浓度。

有些患者患有儿童抗pes的高胰岛素血症（PHHI）。这些患者的葡萄糖激酶的葡萄糖K _m比正常葡萄糖激酶低，并且协同作用显着降低。

因此，这些患者的葡萄糖激酶变体过度活跃，在严重的情况下可能是致命的。

变构的应用

同种异体和催化作用紧密相连。因此，变构作用会影响催化特性，例如配体结合，配体释放。

变构结合位点可能是新药的靶标。这是因为变构效应子可以影响酶的功能。识别变构位点是发现增强酶功能的药物的第一步。

参考文献

1. Changeux，JP2012。50年后的变构和Monod-Wyman-Changeux模型。生物物理学与生物分子结构年度评论，41：103-133。
2. Changeux，JP2013。变构相互作用的50年：模型的曲折。分子细胞生物学，《自然评论》，14：1-11。
3. NM，Goodey和SJ，Benkovic，2008。变构调节和催化作用通过共同途径出现。自然化学生物学，4：274-482。
4. Kamata，K.，Mitsuya，M.，Nishimura，T.，Eiki，Jun-ichi，Nagata，Y.2004。单体变构酶人糖激酶的变构调节的结构基础。结构，12：429-438。
5. Koshland，DE Jr.，Nemethy，G.，Filmer，D.1966。在含有亚基的蛋白质中实验结合数据和理论模型的比较。生物化学，5：365-385。
6. Monod，J.，Wyman，J.，Changeux，JP1965。关于变构过渡的本质：一个合理的模型。Journal of Molecular Biology，12：88–118。
7. 尼尔森（DL）纳尔逊（MM）和考克斯（MM），2008年。WH Freeman and Company，纽约。
8. Porter，CM和Miller，BG2012。具有单个配体结合位点的单体酶的协同作用。生物有机化学，43：44-50。
9. Voet，D。和Voet，J。2004。生物化学。美国John Wiley and Sons。