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結合位點

在生物化學和分子生物學中，結合位點是大分子（如蛋白質）上的一個區域，它與另一個具有特異性的分子結合。[1]大分子的結合夥伴通常被稱為配體。[2]配體可以包括其他蛋白質（導致蛋白質交互作用）[3]、酶基質[4]、第二信使、激素或變構調節劑[5]。結合事件經常，但並不總是伴隨着構象變化，從而改變蛋白質的功能。[6]與蛋白質結合位點的結合通常是可逆的（瞬時和非共價），但也可以是共價可逆[7]或不可逆的[8]。

糖酵解開始時，葡萄糖與活性部位的己糖激酶結合。

功能

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配體與蛋白質結合部位的結合常常引起蛋白質構象的改變，並導致細胞功能的改變。因此，蛋白質上的結合位點是信號轉導途徑的關鍵部分。[9] 配體的種類包括神經遞質、毒素、神經肽和類固醇激素。[10]結合位點在許多情況下引起功能改變，包括酶催化、分子途徑信號、穩態調節和生理功能。電荷、空間形狀和位點的幾何結構選擇性地允許高特異性配體結合，活化蛋白質所負責的細胞相互作用的特定級聯。[11][12]

催化作用

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在酶的存在下，活化能降低以催化反應。

酶通過比基質和產物更強烈地與過渡態結合而產生催化作用。在催化結合位點，許多不同的相互作用可能作用於基質。包括電催化、酸鹼催化、共價催化和金屬離子催化。[10]這些相互作用通過提供有利於穩定高能分子的相互作用來降低化學反應的活化能。酶結合允許更接近反應物，排除與反應無關的物質。這種特殊的結合也阻止了副反應的發生。[13][10]

可以執行這些作用的酶的類型包括氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂解酶、異構酶和連接酶。[14]

例如，轉移酶己糖激酶催化葡萄糖磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸。己糖激酶的活性位點殘基允許活性位點中的葡萄糖分子穩定，並刺激有利相互作用的替代途徑的啟動，降低活化能。[15]

抑制

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通過抑制劑結合抑制蛋白質可能導致通路調節、穩態調節和生理功能的障礙。

競爭性抑制劑與基質競爭，在活性部位與游離酶結合，從而在結合時阻礙酶-基質複合物的產生。例如，一氧化碳中毒是由血紅蛋白中的一氧化碳的競爭性結合阻止氧結合引起的。

非競爭性抑制劑，與此不同，與活性部位的基質同時結合。與酶-基質（ES）複合物結合後，形成酶-基質-抑制劑（ESI）複合物。與競爭性抑制劑類似，產物形成速率也降低。[4]

混合抑制劑能夠結合自由酶和酶-基質複合物。然而，與競爭性和非競爭性抑制劑相比，混合抑制劑與變構位點結合。變構結合誘導構象變化，可能增加蛋白質對基質的親和力。這種現象稱為正極性調製。相反，降低蛋白質與基質親和力的變構結合是負極性調製。[16]

種類

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活性位點

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在活性部位，一種基質與一種酶結合以誘導化學反應。[17][18]基質、過渡態和產物可以與活性位點以及任何競爭性抑制劑結合。[17]例如，在蛋白質功能方面，肌肉細胞中鈣與肌鈣蛋白的結合可以誘導肌鈣蛋白的構象變化。這使得原肌球蛋白暴露肌動蛋白-肌球蛋白結合位點，肌球蛋白頭部結合形成一個交聯橋並誘導肌肉收縮。[19]

在血液中競爭結合的一個例子是一氧化碳，它在血紅素的活性部位與氧競爭。一氧化碳的高親和力可能在低氧濃度下超過氧氣。在這些情況下，一氧化碳的結合引起構象變化，阻礙血紅素與氧結合，導致一氧化碳中毒。[4]

 
競爭性和非競爭性酶分別在活性和調節（變構）位點結合。

變構位點

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在調節位點，配體的結合可能引起蛋白質功能的放大或抑制。[4][20]配體與多聚酶變構位點的結合通常會引起正的協同作用，即一種基質的結合會引起有利的構象變化，並增加酶與第二種基質結合的可能性。[21]調節位點配體包括homotropic和heterotropic，其中單個或多類分子分別影響酶活性。 [22]

在代謝途徑中，受高度調控的酶通常是必不可少的。例如，磷酸果糖激酶（PFK）在糖酵解中磷酸化果糖，主要由ATP調節。它在糖酵解中的調節是必需的，因為它是該途徑的速控步驟。PFK還通過異化代謝途徑控制指定形成ATP的葡萄糖量。因此，在足夠的ATP水平下，PFK被ATP變構抑制。這種調節有效地保存葡萄糖儲備，而葡萄糖儲備可能是其他代謝途徑所需要的。檸檬酸鹽是檸檬酸循環的中間產物，也是PFK的變構調節劑。[22][23]

結合曲線

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S形和雙曲線結合模式顯示了酶的合作和非合作特性。

結合曲線描述配體與蛋白質的結合行為。曲線的特徵可以是其形狀，S形或雙曲線，它們分別反映了蛋白質是否表現出協同或非協同的結合行為。[24]典型地，X軸描述配體的濃度，Y軸描述結合到所有可用結合位點的配體的飽和分數。[4]在確定曲線形狀時，通常使用Michaelis-Menten方程。根據穩態條件導出Michaelis-Menten方程，並解釋了酶在溶液中的反應。然而，當反應發生時，酶與基質結合的動力學表現不同。 [25]

當評估氧與血液中血紅蛋白和肌紅蛋白的結合親和力時，用結合曲線建模是有用的。血紅蛋白有四個血紅素基團，表現出協同結合。這意味着氧與血紅蛋白上血紅素基團的結合誘導有利的構象變化，從而增加氧對下一血紅素基團的結合有利性。在這種情況下，血紅蛋白的結合曲線將是乙狀結腸，因為它增加了對氧的結合有利性。由於肌紅蛋白只有一個血紅素基團，所以在結合曲線上呈現雙曲線的非協同結合。[26]

應用

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不同生物和人類之間的生化差異對藥物開發很有用。例如，青黴素通過抑制DD轉肽酶、破壞細菌細胞壁的發育和誘導細胞死亡來使細菌酶失活。因此，結合位點的研究涉及到許多領域的研究，包括癌症機制[27]、藥物配方[28]和生理調節[29]。抑制蛋白功能的抑制劑的配方是藥物治療的一種常見形式。[30]

 
甲氨蝶呤通過競爭基質葉酸抑制二氫葉酸還原酶。結合位點為藍色，抑制劑為綠色，基質為黑色。

在癌症領域，被編輯成具有與天然配體相似外觀的配體被用來抑制腫瘤生長。例如，化療藥物甲氨蝶呤在二氫葉酸還原酶活性部位起競爭性抑制劑的作用。[31]這種相互作用抑制了四氫葉酸的合成，阻斷了DNA、RNA和蛋白質的產生。[31]抑制這種功能抑制腫瘤生長，改善嚴重銀屑病和成人類風濕關節炎。[30]

在心血管疾病中，β受體阻滯劑等藥物被用來治療高血壓患者。β受體阻滯劑（β受體阻滯劑）是一種抗高血壓藥物，能阻斷腎上腺素和去甲腎上腺素與心臟和血管中β1和β2受體的結合。這些受體通常介導交感神經的「戰鬥或逃跑」反應，導致血管收縮。[32]

競爭性抑制劑在商業上也大量應用。肉毒桿菌毒素，商業上稱為保妥適，是一種神經毒素，由於與乙酰膽鹼依賴的神經結合而導致肌肉鬆弛性麻痹。這種相互作用抑制了肌肉收縮，呈現出平滑肌的外觀。[33]

預測

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已經開發了許多計算工具來預測蛋白質上結合位點的位置。[20][34][35]它們可以大致分為基於序列的或基於結構的。[35]基於序列的方法依賴於這樣一個假設：蛋白質功能保守部分（如結合位點）的序列是保守的。 基於結構的方法需要蛋白質的三維結構。這些方法又可以細分為基於模板和基於容器的方法。[35]基於模板的方法尋找目標蛋白和具有已知結合位點的蛋白質之間的三維相似性。基於容器的方法在目標蛋白中尋找凹面或埋入容器，這些凹面或埋入容器具有疏水性和能形成氫鍵等特徵，使得它們能夠以高親和力結合配體。[35] 即使這裏使用的是容器（pocket）一詞，類似的方法也可以用來預測蛋白質-蛋白質相互作用中使用的結合位點，這些結合位點通常更為平坦，而不是在容器中。[36]

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外部連結

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