《Protein Actions Principles and Modeling》-《蛋白质作用原理和建模》

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第四章：Protein Binding Leads to Biological Actions

（蛋白质的结合会产生生物作用）

-偶联结合是调控、信号传导和能量转导的关键

现在，让我们来看看蛋白质作用的例子，当配体A与蛋白质分子的结合后可以在重复的循环中通过变构变化调节配体B与同一蛋白质的结合，通常是通过变构变化。这个过程也是能量传递的方式，ATP或浓度梯度引起其他能量的上坡作用。

生化引擎利用能量下坡过程驱动上坡过程

在让我们来探索一个分子机器是如何通过传递能量来产生运动、力量或运输货物的。电池通过与下坡化学反应耦合来利用（上坡）过程提供动力。类似地，生物系统为上坡过程提供动力，比如“生物电池的充电”，通过利用从高浓度到低浓度区域的离子或质子的下坡流动，ADP会转化为ATP。另一个例子则是转运体(膜蛋白)底物的逆转运，这与离子的电化学梯度的共转运相反，是一种常见的化学突触中的神经递质运输机制。那么，这种能量是如何传递的？生物发动机通过机械循环中的耦合结合来传递能量。虽然宏观引擎的核心可能是一个燃烧燃料的腔室，但生化引擎的核心可能仅仅是一个具有耦合结合亲和力的单个蛋白质或DNA分子。通常，由耦合结合产生的转导行为是构象转变或运动的结果。

图4.16 F0F1ATP酶是ATP与质子泵合的一个循环机器。蛋白质P通过偶联从高浓度y到低浓度x的下坡质子流，将ADP转化为ATP。(A)表示了电机旋转的方向，并定义了结合多项式中的量。(B)展示了结构变化的卡通画。其结构见第2章中的图2.11。

图4.16展示了一个被称为F0F1ATP酶的蛋白质引擎。这个蛋白质通过上坡能量工作在线粒体中使磷酸化ADP转化为ATP,同时与从外到内的能量下坡质子流过程耦合。质子从高浓度区域(H)流动到低浓度区域(L)。F0F1ATP酶通过以下步骤进行这一耦合过程：ADP与空蛋白结合，然后H的一个质子也与蛋白质结合，ADP转化为ATP，随后ATP被释放，然后质子转移到L中，蛋白质再次回到空状态。

让我们用一个结合多项式来表示这些状态。设y为高浓度区域的质子Y的浓度，x为高浓度区域的质子X的浓度，t是ATP的浓度（也称之为T），d是ADP的浓度（称为D）。结合多项式体现的是与ATP酶蛋白P相关的所有状态：

其中，K和R为平衡常数，如图4.16所示。[PX]=[P]K1x是仅与X结合的蛋白质浓度，[PTX]=[P]K1R1tx是与X和ATP结合的蛋白质浓度，[PD]=[P]R2d是与ADP结合的蛋白质浓度，[PDY]=[P]K2R2yd是与ADP和Y结合的蛋白质浓度。

如果质子梯度足够大，ATP酶就会顺时针旋转。要具象化这一点，可以定量J/[P]定义为每个蛋白的（即每个P分子）每秒T到D的转换次数。为了进行这个定义，需要假设D→T是速率限制步骤，并且所有其他步骤发生得要快得多。然后在稳定状态下，J/[P]由图4.16ATP的合成速率kf和水解速率kr决定。

这个模型显示了耦合结合是如何促使能量传导的。如果y/x > krK1R1t/（kfK2R2d），那么这个下坡梯度（这里是质子的）驱动“电池充电”，将ADP转换为ATP。当krK1R1tx=kfK2R2yd，蛋白质停止旋转或产生ATP。

图4.17显示了一个传递化学信号（例如，小分子的浓度）的热力学循环，并将其转化为蛋白质的化学修饰。信号传导需要信号小分子X与蛋白质P结合和解离，并与另一个过程，如磷酸化或甲基化耦合，从而将不同的蛋白质从A形态转化为B形态。

 

图4.17 信号传导是一个耦合结合的循环过程。信号分子X与蛋白质P结合的浓度驱动分子A向B的转化，例如磷酸化。

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