別構調節

一個酶的別構調節

別構調節（Allosteric regulation，源於希臘語的 ἄλλος /allos——“其他”，以及 στέρεος /stereos——“固態（物體）”）又稱變構調節、異構調節或是異位調節，是酶活性調節的一種機制。其原理為，一些酶除了有活性位點外，還有所謂別構中心，該中心可與配體（有時為底物）結合從而使酶的構象發生改變，影響到酶活性位點與底物的親和力以及酶的活性。

別構調節的一種常見形式為反饋抑制（終產物抑制），是指某代謝途徑中的終產物作為別構抑制劑抑制代謝途徑前面限速酶的活性，從而達到維持細胞內一些代謝物濃度平衡的目的。

別構酶一般為具有四級結構的多亞基蛋白。單體別構酶極為少見，一個例子為丙酮酸 - UDP-N - 乙醯葡糖胺轉移酶。

異位調節會接合特定的影響因子分子來調節酵素和蛋白質的行為，異位點使得影響因子能接合蛋白質分子，導致酵素發生結構上或者其他的改變，使得酵素的效率發生改變。影響因子若是增加其接合蛋白質的活性則稱為異位活化劑，相反的若是影響因子降低其接合蛋白質的活性則稱為異位抑制劑。

異位（allosteric）一詞源自於希臘文 allos（ἄλλος）， "其他" 以及 stereos（στερεὀς）， "固體 （受體）"， 名稱由來因為異位調節蛋白在調節區域不同於活化區域，異位調節是一個天然的調節迴圈的例子，例如向下回饋下游產物或者是向上回饋上游基質。遠距離的異位調控對細胞訊息傳遞扮演著重要的角色。

異位調節的模型

大多數的異位調節可以由 Monod、 Wyman 和 Changeux 所提出的 MWC 模型，或由 Koshland、 Nemethy 和 Filmer 所提出的順序模型兩著模型都假設酵素含有兩種次單位的形式， 緊密 (T) 或 鬆散 (R) ，而處於鬆散狀態的酵素比起緊密狀態的酵素和基質有更好的結合能力，這兩個模型假設最大的不同在於對於酵素次單位間的互相的作用 ，以及緊密和鬆散狀態的形成條件。

1.1 協同模型

異位調節中的協同模型，也可以稱做對稱模型，或者是 MWC model，假設酵素的其中一個次單位發生構型的改變，其他次單位必定也同時改變其構型，因此， 全部的次單位處於相同的構型狀，此模型可進一步的推測，當缺少任何的配體（基質或是其他因子），平衡趨向於其中一種構型狀態 T 或者是 R，而此平衡可藉由再活化區域以外的區域結合配體（異位調節的影響因子或者是配體）而轉換成 T 或者是 R 的構型 。

1.2 順序模型

異位調節中的順序模型認為當其中一個次單位發生構型的改變時，引發其他次單位造成相似但不同的構型轉變， 因此， 酵素中所有的次單位並不是處於完全一樣的構型狀態， 並且，順序模型提出了基質接合的誘導親合 。 大體上來說， 當酵素次單位隨機碰撞上基質分子的活化區域， 會形成手套狀的結構環繞基質。 然而，當誘導親合遇上 T 狀態和 R 狀態間的轉換，並不會影響鄰近酵素次單位發生構型狀態的轉變。總之，唯有當基質接合酵素其中一個次單位時， 才會影響其鄰近的次單位發生些許的構型改變， 以至於鄰近的次單位對於基質有不同的結合力。

結論:

酵素的次單位間不一定存在著一樣的形式
基質的接合藉由誘導親合
構型的轉變並不會傳播至全部的次單位

1.3 Morpheein 模型

異位調節中的 Morpheein 模型是一個分離協同模型。

Morpheein 是指單一形式單體的多聚合體，可改變其不同功能的四個次單元體組成以至於調整酵素在生理功能上的差異。 Morpheein 形式狀態的轉移包含次單元體的分離， 結構的改變，以及重新組裝成一個不一樣的多體聚合物。和 MWC 模型以及 KNF 模型最大的不同是，morpheein model 包含了酵素次單元聚合體的分離 。

Morpheeins 說明瞭一個前所未有的機制， 藉由標定通用必須酵素的物種專一性以設計或發現藥物。 Morpheein 的抑制方法為結合一個穩定不反應的 Morpheein 以形成酵素， 因此將酵素傾向於該種形式狀態。

膽色素原合酶（PBGS）為原型 Morpheein。

系綜模型

別構調控的系綜模型將別構系統的統計集合列舉為其勢能函式的函式，然後將別構的特定統計測量結果與能量函式中的特定能量項（例如兩個域之間的分子間鹽橋）聯絡起來。系綜別構模型和別構 Ising 模型等系綜模型假設系統的每個域都可以採用類似於 MWC 模型的兩種狀態。Cuendet、Weinstein 和 LeVine 提出的別構景觀模型允許域具有任意數量的狀態，並且可以使用一組嚴格的規則來估算特定分子相互作用對給定別構耦合的貢獻。分子動力學模擬可用於估計系統的統計系綜，以便可以使用別構景觀模型對其進行分析。

正構抑制劑與別構抑制劑對比

正構效應

結合位點：正構抑制劑直接與酶的活性位點結合。酶的活性位點即底物通常結合的位點。

作用機制：透過佔據活性位點，正構抑制劑阻止底物結合，從而直接阻斷酶的催化活性。

競爭性抑制：大多數正構抑制劑與底物競爭活性位點，這意味著如果底物濃度增加，它們的有效性會降低。

別構效應

結合位點：別構抑制劑與酶上與活性位點不同且分離的位點結合，稱為別構位點。

作用機制：與別構位點結合會誘導酶的構象變化，從而降低活性位點對底物的親和力或改變酶的催化活性。即使存在底物，這種間接干擾也可以抑制酶的功能。

非競爭性抑制：別構抑制劑通常表現出非競爭性抑制，這意味著它們的抑制作用不依賴於底物濃度。

異位調節的調控

4.1 正向調控

正向異位調節（也稱為異位啟用）當接合配體會增強基質和其他結合位點之間的吸引力。一個例子是氧分子結合血紅蛋白，其中氧分子同是基質和影響因子。異位，或 “其他” 接合位是相鄰於活性位點的蛋白次單元。氧與一個次單元的結合誘導使得該次單元的結構發生改變，而後與活性位點相互作用，以提高他們對氧的親和力。由於別構效應，血紅蛋白與氧氣的結合曲線呈 S 形，可以用希爾方程描述，希爾係數為 2.8 左右。在特定範圍內隨著環境中氧含量的變化，血紅蛋白與氧分子的結合率有一個劇烈變化的過程，生物體內組織中的氧濃度和肺組織中的氧濃度恰好位於這一突變的兩側，因而在肺組織，血紅蛋白可以充分地從氧分壓較高的肺泡中攝取氧，並隨著血液迴圈把氧氣釋放到氧分壓較低的組織中，充分地釋放所攜帶的氧分子，從而起到輸氧作用；可是當環境中的氧氣含量很高或者很低的時候，血紅蛋白的氧結合曲線非常平緩。

4.2 負向調控

負向異位調節（又稱位異位抑制）當結合 配體時會降低基質對活性位點的親和性。 舉例來說， 當 2,3-BPG 結合上血紅蛋白的異位調節區，所有次單元對氧氣的親和力都會下降。另一個例子是番木鱉鹼， 一種導致痙攣的毒藥，是一種甘氨酸受體的異位抑制劑。甘胺酸是主要突觸後抑制劑，抑制哺乳動物的脊髓以及腦幹的神經傳導， 番木鱉鹼和甘胺酸受體有著不同的結合位，故屬於一種異位調節，他的結合降低甘胺酸受體對於甘胺酸的親和力。因此， 番木鱉鹼抑制了抑制性的神經傳導，進而導致痙攣。

另一個異位抑制的例子可以 ATP 和酵素磷酸果糖激酶為例，參與了糖解作用的負向圈回撥控。磷酸果糖激酶（一般可簡稱為 PFK）是催化糖解作用第三個步驟的酵素：磷酸果糖激酶使得果糖 - 6 - 磷酸變成果糖 - 1,6 - 雙磷酸，磷酸果糖激酶在細胞內可以被高濃度的 ATP 異位抑制，當 ATP 的濃度很高時，ATP 會結合磷酸果糖激酶的異位調控區域，造成酵素立體結構的改變。此改變造成其基質（磷酸果糖激酶和 ATP）在活性位點的親和力下降， 使酵素被視為不活化的狀態。 此結果使得當 ATP 濃度很高時，將停止糖解作用的進行，以儲存身體內葡萄糖的含量以及平衡細胞內 ATP 的濃度。經由這種方式，ATP 被視為磷酸果糖激酶的異位抑制因子，即便他也屬於此酵素的基質。

異位調節的調控種類

5.1 Homotropic

Homotropic 異位調節是指基質同時為目標酵素，調控活性的分子，通常是屬於酵素的活化劑。舉例來說，氧氣為血紅蛋白的 homotropic 異位調節。

5.2 Heterotropic

Heterotropic 異位調節是指接合異位區域的調控分子不是其酵素的基質， 調控分子可能是酵素的活化劑或抑制劑。 舉例來說， H+, CO2, 和 2，3 - 二磷酸甘油酸是血紅蛋白的 heterotropic 異位調控分子。

有些異位調節蛋白可同時被基質以及其他分子調控，此種蛋白同時為 homotropic 和 heterotropic 的互動作用。

非調節的異位結合

非調節的異位結合區包含了酵素（以及任何蛋白質），其本身並不是胺基酸。舉例來說，許多酵素需要 鈉的結合以確保他正確的功能。然而，那並不是組成酵素次單元的必要物質，而鈉卻普遍存在於生物體內，而我們沒有見過任何已知的生物中能增加或是缺少鈉的含量以調控酵素活性。非調節性異位調節效應可以包括除了鈉（鈣，鎂，鋅），其他化學物質，任何其它離子，以及任何可能的維生素。

藥理學

當異位調節分子結合在異位調節位置（不同於內緣性配體活性位點）以提升或抑制內源性配體的作用。正常情況下，發生於受體分子的構型改變，使得結合活性發生改變。 經由這種方式，配體經由受體結合上初級配體以調節受體的活性。

舉例來說，GABAA 受體有兩個活化區域使神經傳導物質 γ- 氨基丁酸得以結合，但他同時具備苯二氮䓬類以及麻醉劑調控結合位置。這些調控結合位可以提供正向的異位調節，增加 GABA 的活性。 地西泮是個苯二氮䓬調節位置的激動劑，及其解毒劑為，氟馬西尼是苯二氮卓類的選擇性拮抗劑。

更近期的藥物作用例子指出異位調節的作用目標包含擬鈣劑以及艾滋病的治療藥馬拉維若。

7.1 藥物作用於異位調節區域

異位調節區域是一種新興的藥物標靶，與傳統的方法相比，使用異位調節藥物有更多的優點。舉例來說，G 蛋白偶聯受體（GPCR）異位調節的結合位尚未接觸等同正構位的改變壓力以適應內源性配體，因此更加的多樣化。如此，可經由異位調節區域的篩選已獲得較好的 GPCR 選擇性

這對 GPCRs 的選擇性篩選是特別有用的，因為在正構位的序列保留性相當的高。

並且， 此種調節方法可以降低其潛在的毒性，在劑量上不嚴重的過量並不會造成太大的危害。

術語

別構酶：能夠進行別構調節的酶
別構效應物：與別構中心結合且對酶的活性有調節作用的配體分子
別構抑制劑：起抑制作用的別構效應物
別構啟用劑：起啟用作用的別構效應物
同促效應：別構效應物為底物時的別構效應
異促效應：別構效應物不為底物時的別構效應

理論

齊變學說
序變假說

例子

天冬氨酸轉氨甲醯酶

動力學

別構啟用劑的 v-S 圖呈 S 型
希爾方程
Hill 作圖
協同性