結構生物化學/蛋白質功能/結合位點/協同性

協同性可以在酶和受體中觀察到，它描述了當這些結構包含多個結合位點時發生的趨勢。協同性描述了當這些結構中的一個結合位點被啟用或失活時發生的改變，影響同一分子中的其他結合位點。它也可以被描述為受原始結合位點影響的其他位點結合親和力的增加或減少。

S形曲線的示例。

協同性也可以在由許多相同或幾乎相同的亞基（DNA、蛋白質、磷脂）組成的長鏈分子中觀察到，當這些分子經歷諸如熔化、展開或解旋等相變時，被稱為亞基協同性。當底物與一個酶促亞基的活性位點結合時，其他亞基被刺激並變得活躍。

酶的活性可以根據底物的濃度繪製成圖表。對於表現出協同行為的酶，兩者之間的關係顯示出 S 形曲線，而不是 米氏行為。該圖顯示出速度的快速增加。這反映了在一個亞基上的結合如何增加其他亞基結合底物的可能性。

協同結合型別

協同結合可以產生負協同性、正協同性、異構協同性和同構協同性。

負協同性

負協同性的一個例子是，當一個位點被結合後，結合親和力的降低。當配體與蛋白質結合時，蛋白質對配體的親和力降低。甘油醛-3-磷酸與酶甘油醛-3-磷酸脫氫酶之間的關係是這一過程的一個明顯例子。

正協同性

血紅蛋白由四個亞基組成。如果一個亞基與氧氣結合，它會增加另外三個亞基也會結合的可能性。

正協同性的一個例子可以在底物與具有多個結合位點的酶結合時看到，其他結合位點受到這種改變的影響。

這種行為在氧氣與血紅蛋白結合形成氧合血紅蛋白時可以看到。血紅蛋白由四個亞基組成，兩個α亞基和兩個β亞基。它們結合在一起形成四聚體，每個亞基都有自己的活性位點來結合氧氣。該活性位點包含一個卟啉環結構，中心有一個鐵原子。當亞基未與氧氣結合時，鐵原子位於環平面下方約 0.4 Å。當四聚體處於這種狀態時，它被認為處於 T 狀態或緊張狀態。

當血紅蛋白與氧氣結合時，會發生 R 狀態或鬆弛狀態。脫氧血紅蛋白或 T 狀態對氧氣的親和力很低。但是，當一個分子與單個血紅素結合時，氧氣親和力會增加，這使得隨後的分子更容易依次結合。當與氧氣結合的鐵被提升至與環位於同一平面時，就會發生這種情況。這迫使它連線到的組氨酸殘基也移動，進而迫使組氨酸連線的 α 螺旋移動。螺旋末端的羧基末端位於兩個 α-β 二聚體的介面，因此有利於 R 狀態轉變。總的來說，R 狀態比 T 狀態更穩定，但在某些條件下，這可能會改變。

3-氧合血紅蛋白的氧氣親和力大約是其脫氧血紅蛋白對應物的 300 倍。這種行為導致血紅蛋白的親和力曲線呈 S 形，而不是像單體肌紅蛋白的親和力曲線那樣呈雙曲線。同樣，當結合較少的氧氣分子時，血紅蛋白失去氧氣的能力更大。這種協同性可以在血紅蛋白中觀察到，當一個氧氣與四聚體的一個亞基結合時。這將增加另外三個位點與氧氣結合的可能性。

同構協同性的一個例子是底物分子對其親和力的影響。

異構協同性的一個例子是當第三種物質導致親和力發生變化時。

協同性協調模型

協調模型（對稱模型或 MWC 模型）：酶亞基以一種方式連線，使得一個亞基的構象變化必然傳遞到所有其他亞基。因此，所有亞基必須以相同的構象存在。例如：在血紅蛋白中，四聚體在四個氧氣分子與所有四個單體結合後一起改變構象（R 狀態）。從 T 狀態到 R 狀態的轉變是一步完成的。

協調模型，也稱為 MWC 模型或對稱模型，用於解釋血紅蛋白中氧氣結合的協同性以及由相同亞基組成的蛋白質的轉變。它側重於血紅蛋白的兩種狀態；T 狀態和 R 狀態。血紅蛋白的 T 狀態更緊張，因為它處於脫氧血紅蛋白形式，而血紅蛋白的 R 狀態更鬆弛，因為它處於氧合血紅蛋白形式。T 狀態由於亞基間的相互作用而受到限制，而 R 狀態由於氧氣結合的能力而更加靈活。在一個位點結合氧氣會增加其他活性位點的結合親和力。因此，在血紅蛋白的協調模型中，它表明一個氧氣與一個活性位點結合會增加其他氧氣與其他活性位點結合的可能性。在協調模型中，所有與 T 狀態血紅蛋白上的氧氣結合位點都必須被結合才能轉換為 R 狀態。這也適用於從 R 狀態到 T 狀態的轉換，其中所有結合的氧氣都必須在完全轉換髮生之前釋放。在每個氧氣負載水平上，T 狀態和 R 狀態之間存在平衡。平衡從強烈偏向 T 狀態（沒有氧氣結合）轉變為強烈偏向 R 狀態（完全裝載氧氣）。總的來說，氧氣結合會將平衡向 R 狀態轉移。這意味著在高氧氣水平下，R 形式將佔主導地位，而在低氧氣水平下，T 形式將佔主導地位。血紅蛋白的變構效應器，如 2,3-BPG，透過將平衡向 T 狀態轉移或遠離 T 狀態發揮作用，具體取決於它是抑制劑還是促進劑。該模型和順序模型展示了 R 和 T 轉變的極端情況。在實際系統中，需要來自兩種模型的特性來解釋血紅蛋白的行為。

協同性順序模型

順序模型：亞基之間沒有以一種方式連線，使得一個亞基的構象變化會引起其他亞基的類似變化。所有酶亞基不需要相同的構象。順序模型指出，底物分子透過誘導契合方式結合。例如：在血紅蛋白中，四個單體隨著氧氣依次結合到每個單體上而發生構象變化（R 狀態）。這使得血紅蛋白可以具有 R 狀態單體和 T 狀態單體。

血紅蛋白的順序模型解釋了氧氣結合過程中涉及的協同作用。該模型遵循這樣的概念：在一個活性位點發生結合後，蛋白質周圍其他位點的結合親和力也會增加。因此，底物濃度與反應速率的圖呈S形。由於這種協同作用，它不遵循米氏動力學。該模型與協同模型之間的區別在於，T 狀態不需要全部同時轉化為 R 狀態。在這個模型中，配體將改變其所結合的亞基的構象，並誘導相鄰亞基發生變化。順序模型不需要分子整體處於 T 狀態或 R 狀態。簡而言之，每個結合位點都會影響附近的結合位點，直到所有結合位點都處於相同狀態。無論是順序模型還是協同模型都無法完全解釋血紅蛋白的本質。兩種模型的特性都出現在真實系統中。

亞基協同作用

協同作用不僅發生在配體結合過程中，而且在任何能量相互作用簡化或複雜化多個單位發生某事的發生，與單個單位相比，這種發生會涉及多個單位。一個例子是 DNA 的解旋。DNA 片段必須首先解旋，以便 DNA 執行其其他功能，例如複製、轉錄和重組。相鄰 DNA 核苷酸之間的正協同作用簡化了整個相鄰核苷酸組的解旋過程，與沿 DNA 鏈分散的相同數量的核苷酸解旋相比。協同單位大小是指由於正協同作用的影響而作為一個單位解旋的相鄰鹼基數量。此過程也適用於其他型別的鏈狀分子，例如蛋白質的摺疊和展開，以及構成細胞膜的磷脂鏈的熔化。

熵和協同作用

熵在協同作用中起著重要作用。這可以在氧氣與血紅蛋白結合的例子中看到，其中第一個氧氣有四個不同的位點可以結合。這表明與最後一個氧氣的結合相比，熵相對較高，最後一個氧氣只有一個位點可以結合。從未結合狀態到結合狀態，第一個氧氣必須克服比最後一個結合氧氣更大的熵變。這種熵差是氧氣與血紅蛋白結合正協同作用的主要原因。

協同作用的動力學

當產物生成量作為底物濃度的函式繪製的圖產生S形曲線時，則存在協同作用。這種S形曲線是由於一個底物結合到一個活性位點會增加其他活性位點的活性而產生的。曲線以較大的斜率增加，然後一旦底物飽和達到極限，就會趨於平緩。

希爾方程

希爾方程是描述與大分子結合的配體量或其飽和度的方程。該方程如下所示

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

其中：$\theta$代表填充的結合位點分數$[L]$代表配體的濃度$K_{A}$代表一半結合位點被佔據所需的配體濃度$K_{d}$代表解離常數$n$代表希爾係數，它描述了反應的協同作用。

當

• $n>1$時，該反應為正協同，意味著配體結合到一個位點會增加其他結合位點的配體親和力。
• $n<1$時，該反應為負協同，意味著配體結合到一個位點會降低其他結合位點的配體親和力。
• $n=1$時，該反應不協同，意味著配體結合到一個位點不會改變其他結合位點的配體親和力。

希爾方程是由生物物理學先驅阿奇博爾德·希爾 (1886-1977) 於 1910 年提出的。