结构生物化学/蛋白质功能/结合位点/协同性

协同性可以在酶和受体中观察到，它描述了当这些结构包含多个结合位点时发生的趋势。协同性描述了当这些结构中的一个结合位点被激活或失活时发生的改变，影响同一分子中的其他结合位点。它也可以被描述为受原始结合位点影响的其他位点结合亲和力的增加或减少。

S形曲线的示例。

协同性也可以在由许多相同或几乎相同的亚基（DNA、蛋白质、磷脂）组成的长链分子中观察到，当这些分子经历诸如熔化、展开或解旋等相变时，被称为亚基协同性。当底物与一个酶促亚基的活性位点结合时，其他亚基被刺激并变得活跃。

酶的活性可以根据底物的浓度绘制成图表。对于表现出协同行为的酶，两者之间的关系显示出 S 形曲线，而不是 米氏行为。该图显示出速度的快速增加。这反映了在一个亚基上的结合如何增加其他亚基结合底物的可能性。

协同结合类型

协同结合可以产生负协同性、正协同性、异构协同性和同构协同性。

负协同性

负协同性的一个例子是，当一个位点被结合后，结合亲和力的降低。当配体与蛋白质结合时，蛋白质对配体的亲和力降低。甘油醛-3-磷酸与酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶之间的关系是这一过程的一个明显例子。

正协同性

血红蛋白由四个亚基组成。如果一个亚基与氧气结合，它会增加另外三个亚基也会结合的可能性。

正协同性的一个例子可以在底物与具有多个结合位点的酶结合时看到，其他结合位点受到这种改变的影响。

这种行为在氧气与血红蛋白结合形成氧合血红蛋白时可以看到。血红蛋白由四个亚基组成，两个α亚基和两个β亚基。它们结合在一起形成四聚体，每个亚基都有自己的活性位点来结合氧气。该活性位点包含一个卟啉环结构，中心有一个铁原子。当亚基未与氧气结合时，铁原子位于环平面下方约 0.4 Å。当四聚体处于这种状态时，它被认为处于 T 状态或紧张状态。

当血红蛋白与氧气结合时，会发生 R 状态或松弛状态。脱氧血红蛋白或 T 状态对氧气的亲和力很低。但是，当一个分子与单个血红素结合时，氧气亲和力会增加，这使得随后的分子更容易依次结合。当与氧气结合的铁被提升至与环位于同一平面时，就会发生这种情况。这迫使它连接到的组氨酸残基也移动，进而迫使组氨酸连接的 α 螺旋移动。螺旋末端的羧基末端位于两个 α-β 二聚体的界面，因此有利于 R 状态转变。总的来说，R 状态比 T 状态更稳定，但在某些条件下，这可能会改变。

3-氧合血红蛋白的氧气亲和力大约是其脱氧血红蛋白对应物的 300 倍。这种行为导致血红蛋白的亲和力曲线呈 S 形，而不是像单体肌红蛋白的亲和力曲线那样呈双曲线。同样，当结合较少的氧气分子时，血红蛋白失去氧气的能力更大。这种协同性可以在血红蛋白中观察到，当一个氧气与四聚体的一个亚基结合时。这将增加另外三个位点与氧气结合的可能性。

同构协同性的一个例子是底物分子对其亲和力的影响。

异构协同性的一个例子是当第三种物质导致亲和力发生变化时。

协同性协调模型

协调模型（对称模型或 MWC 模型）：酶亚基以一种方式连接，使得一个亚基的构象变化必然传递到所有其他亚基。因此，所有亚基必须以相同的构象存在。例如：在血红蛋白中，四聚体在四个氧气分子与所有四个单体结合后一起改变构象（R 状态）。从 T 状态到 R 状态的转变是一步完成的。

协调模型，也称为 MWC 模型或对称模型，用于解释血红蛋白中氧气结合的协同性以及由相同亚基组成的蛋白质的转变。它侧重于血红蛋白的两种状态；T 状态和 R 状态。血红蛋白的 T 状态更紧张，因为它处于脱氧血红蛋白形式，而血红蛋白的 R 状态更松弛，因为它处于氧合血红蛋白形式。T 状态由于亚基间的相互作用而受到限制，而 R 状态由于氧气结合的能力而更加灵活。在一个位点结合氧气会增加其他活性位点的结合亲和力。因此，在血红蛋白的协调模型中，它表明一个氧气与一个活性位点结合会增加其他氧气与其他活性位点结合的可能性。在协调模型中，所有与 T 状态血红蛋白上的氧气结合位点都必须被结合才能转换为 R 状态。这也适用于从 R 状态到 T 状态的转换，其中所有结合的氧气都必须在完全转换发生之前释放。在每个氧气负载水平上，T 状态和 R 状态之间存在平衡。平衡从强烈偏向 T 状态（没有氧气结合）转变为强烈偏向 R 状态（完全装载氧气）。总的来说，氧气结合会将平衡向 R 状态转移。这意味着在高氧气水平下，R 形式将占主导地位，而在低氧气水平下，T 形式将占主导地位。血红蛋白的变构效应器，如 2,3-BPG，通过将平衡向 T 状态转移或远离 T 状态发挥作用，具体取决于它是抑制剂还是促进剂。该模型和顺序模型展示了 R 和 T 转变的极端情况。在实际系统中，需要来自两种模型的特性来解释血红蛋白的行为。

协同性顺序模型

顺序模型：亚基之间没有以一种方式连接，使得一个亚基的构象变化会引起其他亚基的类似变化。所有酶亚基不需要相同的构象。顺序模型指出，底物分子通过诱导契合方式结合。例如：在血红蛋白中，四个单体随着氧气依次结合到每个单体上而发生构象变化（R 状态）。这使得血红蛋白可以具有 R 状态单体和 T 状态单体。

血红蛋白的顺序模型解释了氧气结合过程中涉及的协同作用。该模型遵循这样的概念：在一个活性位点发生结合后，蛋白质周围其他位点的结合亲和力也会增加。因此，底物浓度与反应速率的图呈S形。由于这种协同作用，它不遵循米氏动力学。该模型与协同模型之间的区别在于，T 状态不需要全部同时转化为 R 状态。在这个模型中，配体将改变其所结合的亚基的构象，并诱导相邻亚基发生变化。顺序模型不需要分子整体处于 T 状态或 R 状态。简而言之，每个结合位点都会影响附近的结合位点，直到所有结合位点都处于相同状态。无论是顺序模型还是协同模型都无法完全解释血红蛋白的本质。两种模型的特性都出现在真实系统中。

亚基协同作用

协同作用不仅发生在配体结合过程中，而且在任何能量相互作用简化或复杂化多个单位发生某事的发生，与单个单位相比，这种发生会涉及多个单位。一个例子是 DNA 的解旋。DNA 片段必须首先解旋，以便 DNA 执行其其他功能，例如复制、转录和重组。相邻 DNA 核苷酸之间的正协同作用简化了整个相邻核苷酸组的解旋过程，与沿 DNA 链分散的相同数量的核苷酸解旋相比。协同单位大小是指由于正协同作用的影响而作为一个单位解旋的相邻碱基数量。此过程也适用于其他类型的链状分子，例如蛋白质的折叠和展开，以及构成细胞膜的磷脂链的熔化。

熵和协同作用

熵在协同作用中起着重要作用。这可以在氧气与血红蛋白结合的例子中看到，其中第一个氧气有四个不同的位点可以结合。这表明与最后一个氧气的结合相比，熵相对较高，最后一个氧气只有一个位点可以结合。从未结合状态到结合状态，第一个氧气必须克服比最后一个结合氧气更大的熵变。这种熵差是氧气与血红蛋白结合正协同作用的主要原因。

协同作用的动力学

当产物生成量作为底物浓度的函数绘制的图产生S形曲线时，则存在协同作用。这种S形曲线是由于一个底物结合到一个活性位点会增加其他活性位点的活性而产生的。曲线以较大的斜率增加，然后一旦底物饱和达到极限，就会趋于平缓。

希尔方程

希尔方程是描述与大分子结合的配体量或其饱和度的方程。该方程如下所示

$\theta ={[L]^{n} \over (K_{A})^{n}+[L]^{n}}={[L]^{n} \over K_{d}+[L]^{n}}$

其中：$\theta$代表填充的结合位点分数$[L]$代表配体的浓度$K_{A}$代表一半结合位点被占据所需的配体浓度$K_{d}$代表解离常数$n$代表希尔系数，它描述了反应的协同作用。

当

• $n>1$时，该反应为正协同，意味着配体结合到一个位点会增加其他结合位点的配体亲和力。
• $n<1$时，该反应为负协同，意味着配体结合到一个位点会降低其他结合位点的配体亲和力。
• $n=1$时，该反应不协同，意味着配体结合到一个位点不会改变其他结合位点的配体亲和力。

希尔方程是由生物物理学先驱阿奇博尔德·希尔 (1886-1977) 于 1910 年提出的。