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别构调节

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一个酶的别构调节
一个酶的别构调节

别构调节(Allosteric regulation,源自希腊语allos——“其他”、stereos——“固态(物体)”)又称变构调节异构调节或是异位调节,是活性调节的一种机制,也称为变构调节。其原理为,一些酶除了有活性中心外,还有所谓别构中心,该中心可与配体(有时为底物)结合从而使酶的构象发生改变,影响到酶活性中心与底物的亲和力以及酶的活性。

别构调节的一种常见形式为反馈抑制(终产物抑制),是指某代谢途径中的终产物作为别构抑制剂抑制代谢途径前面限速酶的活性,从而达到维持细胞内一些代谢物浓度平衡的目的。

别构酶一般为具有四级结构的多亚基蛋白。单体别构酶极为少见,一个例子为丙酮酸-UDP-N-乙酰葡糖胺转移酶。

异位调节会接合特定的effector分子来调节酵素蛋白质的行为,异位点使得effector能接合蛋白质分子,导致酵素发生结构上或者其他的改变,使得酵素的效率发生改变。Effector若是增加其接合蛋白质的活性则称为异位活化剂,相反的若是effector降低其接合蛋白质的活性则称为异位抑制剂。 异位(allosteric)一词源自于希腊文allos (ἄλλος), "其他" 以及 stereos (στερεὀς), "固体 (受体)", 名称由来因为异位调节蛋白在调节区域不同于活化区域,异位调节是一个天然的调节循环的例子 例如向下回馈下游产物 或者是 向上回馈 上游基质。远距离的异位调控对细胞讯息传递扮演着重要的角色。 [1]

异位调节的模型

大多数的异位调节可以由 Monod、 Wyman 和 Changeux [2]所提出的MWC模型,或由Koshland、 Nemethy 和 Filmer[3] 所提出的顺序模型两著模型都假设酵素含有两种次单位的形式, 紧密(T) 或 松散 (R) ,而处于松散状态的酵素比起紧密状态的酵素和基质有更好的结合能力,这两个模型假设最大的不同在于对于酵素次单位间的互相的作用 ,以及紧密和松散状态的形成条件

协同模型

异位调节中的协同模型,也可以称做对称模型,或者是MWC model,假设酵素的其中一个次单位发生构型的改变,其他次单位必定也同时改变其构型,因此, 全部的次单位处于相同的构型状,此模型可进一步的推测,当缺少任何的配体 (基质或是其他因子),平衡趋向于其中一种构型状态T或者是R,而此平衡可借由再活化区域以外的区域结合配体(异位调节的effactor或者是配体)而转换成T或者是R的构型 。

顺序模型

异位调节中的顺序模型认为当其中一个次单位发生构型的改变时,引发其他次单位造成相似但不同的构型转变, 因此, 酵素中所有的次单位并不是处于完全一样的构型状态, 并且,顺序模型提出了基质接合的诱导亲合 。 大体上来说, 当酵素次单位随机碰撞上基质分子的活化区域, 会形成手套状的结构环绕基质。 然而,当诱导亲合遇上T状态和R状态间的转换,并不会影响邻近酵素次单位发生构型状态的转变。总之,唯有当基质接合酵素其中一个次单位时, 才会影响其邻近的次单位发生些许的构型改变, 以至于邻近的次单位对于基质有不同的结合力。 结论:

  • 酵素的次单位间不一定存在着一样的形式
  • 基质的接合借由诱导亲合
  • 构型的转变并不会传播至全部的次单位

Morpheein模型

异位调节中的 morpheein 模型是一个分离协同模型。 [4] morpheein 是指单一形式单体的多聚合体,可改变其不同功能的四个次单元体组成以至于调整酵素在生理功能上的差异。 morpheein 形式状态的转移包含次单元体的分离, 结构的改变,以及重新组装成一个不一样的多体聚合物。和MWC模型以及KNF模型最大的不同是,morpheein model 包含了酵素次单元聚合体的分离 。[5] Morpheeins 说明了一个前所未有的机制, 借由标定通用必须酵素的物种专一性以设计或发现药物。 Morpheein的抑制方法为结合一个稳定不反应的morpheein 以形成酵素, 因此将酵素倾向于该种形式状态。 [5] 胆色素原合酶(PBGS)为原型morpheein [6]

异位资源

异位数据库

异位调节是生物体内直接且有效率的调节大分子功能的方式, 借由接合位与配体的接合,造成拓朴学上明显的不同。 由于异位调节的高受体选择性以及低目标毒性,异位调节预计在药物的制作以及生医工程的应用将会慢慢在崭露头角。 异位数据库(ASD, http://mdl.shsmu.edu.cn/ASD) [7]提供了一个中心的资源以达到异位调节分子的搜寻以及分析其结构, 功能以及其他注解, 目前, ASD 包含一百种以上的异位蛋白并且分余三类(活化子, 抑制子, 调节子)每个蛋白都被标注有异位调节, 生物过程以及相关疾病, 以及分子的接合亲和力,理化性质和治疗区域,在ASD中集结而成的异位调节相关资讯可以预测其他尚未了解的异位蛋白,进而以实验验证,除此之外,经由 ASD的资料分析 可用来调查怀疑中的潜在异位调节目标分子, 以及帮助化学家了解其结构并修改,以达成新的异位调节设计药物。

异位调节的调控

正向调控

正向异位调节(也称为异位激活)当接合配体会增强基质和其他结合位点之间的吸引力。一个例子是分子结合血红蛋白,其中氧分子同是基质和effector。异位,或“其他”接合位是相邻于活性中心的蛋白次单元。氧与一个次单元的结合诱导使得该次单元的结构发生改变,而后与活化中心相互作用,以提高他们对氧亲和力...

负向调控

负向异位调节 (又称位异位抑制) 当结合 配体时会降低基质对活性中心的亲和性。 举例来说, 当2,3-BPG 结合上血红蛋白的异位调节区,所有次单元对氧气的亲和力都会下降。 另一个例子是 strychnine, 一种导致痉挛 的毒药, 是一种甘氨酸受体的异位抑制剂。 甘胺酸 是主要 突触后 抑制剂,抑制哺乳动物 脊髓以及脑干的神经传导, Strychnine和甘胺酸受体有着不同的结合位,故属于一种异位调节, 他的结合降低甘胺酸受体对于甘胺酸的亲和力。因此, strychnine抑制了抑制性的神经传导,进而导致痉挛。 另一个异位抑制的例子可以ATP 和酵素磷酸果糖激酶为例,参与了糖解作用的负向圈回调控. 磷酸果糖激酶(一般可简称为PFK) 是催化糖解作用第三个步骤的酵素: 磷酸果糖激酶 使得Fructose-6-phosphate 变成Fructose 1,6-bisphosphatePFK 在细胞内可以被高浓度的ATP 异位抑制, 当ATP的浓度很高时, ATP会结合磷酸果糖激酶的异位调控区域, 造成酵素立体结构的改变。 此改变造成其基质(磷酸果糖激酶ATP)在活化中心的亲和力下降, 使酵素被视为不活化的状态。 此结果使得当ATP浓度很高时,将停止糖解作用的进行,以保存身体内葡萄糖的含量以及平衡细胞内ATP的浓度。经由这种方式,ATP 被视为PFK异位抑制因子,即便他也属于此酵素的基质。

异位调节的调控种类

Homotropic

Homotropic 异位调节 是指基质 同时为目标酵素,调控活性的分子, 通常是属于酵素的活化剂。 举例来说,氧气为血红蛋白的 homotropic异位调节。

Heterotropic

Heterotropic 异位调节是指接合异位区域的调控分子不是其酵素的基质, 调控分子可能是酵素的活化剂或抑制剂。 举例来说, H+, CO2, 和 2,3-二磷酸甘油酸是血红蛋白的 heterotropic 异位调控分子。[8]

有些异位调节蛋白可同时被基质以及其他分子调控,此种蛋白同时为 homotropic 和 heterotropic 的交互作用

非调节的异位结合

非调节的异位结合区包含了酵素(以及任何蛋白质),其本身并不是氨基酸。举例来说,许多酵素需要 钠的结合以确保他正确的功能。然而,那并不是组成酵素次单元的必要物质,而钠却普遍存在于生物体内,而我们没有见过任何已知的生物中能增加或是缺少钠的含量以调控酵素活性。非调节性异位调节效应可以包括除了钠(钙,镁,锌),其他化学物质,任何其它离子,以及任何可能的维生素。

药理学

当异位调节分子结合在异位调节位置(不同于内缘性配体((活化中心))以提升或抑制内源性配体的作用。正常情况下,发生于受体分子的 构型改变, 使得结合活性发生改变。 经由这种方式,配体经由受体结合上初级配体以调节受体的活性。

举例来说,GABAA receptor有两个活化区域 使神经传导物质 gamma-aminobutyric acid (GABA) 得以结合, 但他同时具备 苯二氮类 以及麻醉剂 调控结合位置。 这些调控结合位 可以提供正向的异位调节, 增加 GABA的活性。 Diazepam 是个苯二氮类调节位置的agonist,及其解毒剂为 flumazenil 是个 antagonist。

更近期的药物作用例子指出异位调节的作用目标包含模仿钙 cinacalcet 以及艾滋病的治疗maraviroc。

药物作用于异位调节区域

异位调节区域是一种新兴的药物标靶,与传统的方法相比,使用异位调节药物有更多的优点。举例来说,G protein-coupled receptor (GPCR) 异位调节的结合位尚未接触等同正构位的改变压力以适应内源性配体,因此更加的多样化。 [9]如此, 可经由异位调节区域的筛选已获得较好的 GPCR选择性 [9]

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。 [9] 

并且, 此种调节方法可以降低其潜在的毒性,在剂量上不严重的过量并不会造成太大的危害。 [9] 其他药理选择性的种类于异位调节的共同作用上都有其独特性。 异位调节面对正构配体和所有次体都扮演着中立的脚色, 如此称为"绝对亚型选择性 "。[10] 即便异位调节的功用并不显著, 它还是可以提供超过正位配体的另一个强大的治疗优势,当内源性激动剂存在,他能选择性地向上游或向下游调谐组织反应。[10] 多具体特异性小分子结合位 为医学相关的morpheein药物标靶 [11]

术语

  • 别构酶:能够进行别构调节的酶
  • 别构效应物:与别构中心结合且对酶的活性有调节作用的配体分子
    • 别构抑制剂:起抑制作用的别构效应物
    • 别构激活剂:起激活作用的别构效应物
  • 同促效应:别构效应物为底物时的别构效应
  • 异促效应:别构效应物不为底物时的别构效应

理论

  • 齐变学说
  • 序变假说

例子

动力学

  • 别构激活剂的v-[S]图呈S型
  • 希尔方程
  • Hill作图
  • 协同性

参考

  1. ^ Bu Z, Callaway DJ. Proteins MOVE! Protein dynamics and long-range allostery in cell signaling. Adv in Protein Chemistry and Structural Biology. Advances in Protein Chemistry and Structural Biology. 2011, 83: 163–221. ISBN 9780123812629. PMID 21570668. doi:10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7. 
  2. ^ J. Monod, J. Wyman, J.P. Changeux. (1965). On the nature of allosteric transitions:A plausible model. J. Mol. Biol., May;12:88-118.
  3. ^ D.E. Jr Koshland, G. Némethy, D. Filmer (1966) Comparison of experimental binding data and theoretical models in proteins containing subunits. Biochemistry. Jan;5(1):365-8
  4. ^ E. K. Jaffe. Morpheeins - a new structural paradigm for allosteric regulation. Trends Biochem. Sci. 2005, 30 (9): 490–497. PMID 16023348. doi:10.1016/j.tibs.2005.07.003. 
  5. ^ 5.0 5.1 E.K. Jaffe, S.H. Lawrence. Expanding the concepts in protein structure-function relationships and enzyme kinetics: Teaching using morpheeins. Biochemistry and Molecular Biology Education. 2008, 36 (4): 274–283. PMC 2575429. PMID 19578473. doi:10.1002/bmb.20211. 
  6. ^ Jaffe EK, Lawrence SH. Allostery and the dynamic oligomerization of porphobilinogen synthase. Arch. Biochem. Biophys. March 2012, 519 (2): 144–53. PMC 3291741. PMID 22037356. doi:10.1016/j.abb.2011.10.010. 
  7. ^ Z. Huang, L. Zhu, Y. Cao, G. Wu, X. Liu, et al (2011) ASD: a comprehensive database of allosteric proteins and modulators. Nucleic Acids Res Volume 39, D663-669
  8. ^ Edelstein, SJ. Cooperative interactions of hemoglobin. Annu Rev Biochem. 1975, 44: 209–232. PMID 237460. doi:10.1146/annurev.bi.44.070175.001233. 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 9.3 A. Christopoulos, L.T. May, V.A. Avlani and P.M. Sexton (2004) G protein-coupled receptor allosterism:the promise and the problem(s). Biochemical Society Transactions Volume 32, part 5
  10. ^ 10.0 10.1 May, L.T.; Leach, K.; Sexton, P.M.; Christopoulos, A. Allosteric Modulation of G Protein–Coupled Receptors. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2007, 47: 1–51. PMID 17009927. doi:10.1146/annurev.pharmtox.47.120505.105159. 
  11. ^ E. K. Jaffe. Morpheeins - A new pathway for allosteric drug discovery. Open Conf. Proc. J. 2010, 1: 1–6. PMC 3107518. PMID 21643557. doi:10.2174/2210289201001010001. 

外部链接

  • Instant insight introducing a classification system for protein allostery mechanisms from the Royal Society of Chemistry
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