Кратко: мутация в активном центре обычно меняет либо сродство к субстрату (влияет на $K_m$), либо скорость катализа (влияет на $k_{cat}$ и, следовательно, на $V_{max}$), реже — оба одновременно. Итоговый эффект на метаболический путь зависит от того, в каком кинетическом режиме работает фермент (насищение субстратом или при малых концентрациях), от компенсаторных механизмов и от структуры фермента (мономер/олигомер). Ниже — ключевые пункты с формулами и пояснениями.
1) Основные кинетические соотношения
- Уравнение Михаэлиса–Ментен:
$$v=\frac{V_{max}[S]}{K_m+[S]}$$ - Максимальная скорость:
$$V_{max}=k_{cat}[E{]}_T$$ - Константа Михаэлиса (в терминах элементарных констант):
$$K_m=\frac{k_{-1}+k_{cat}}{k_1}$$ - Каталитическая эффективность:
$$\frac{k_{cat}}{K_m}$$
2) Варианты влияния мутации и их кинетические следствия
- Нарушение связывания (изменения $k_1$ или $k_{-1}$):
- Часто приводит к увеличению $K_m$ (снижение сродства): $K_m\uparrow$.
- Если $k_{cat}$ не меняется, то $V_{max}$ остаётся примерно тем же.
- Нарушение каталитического механизма (изменение $k_{cat}$):
- Снижение $k_{cat}$ → пропорциональное снижение $V_{max}$: $V_{max}\downarrow$.
- $K_m$ может остаться близким или измениться (см. формулу для $K_m$), т.е. одновременно может измениться и $K_m$.
- Комбинированные изменения:
- И $K_m$, и $V_{max}$ могут измениться в любом направлении (обычно $K_m\uparrow$ и $V_{max}\downarrow$).
- Специфический сценарий: улучшение связывания (мутация делает $K_m$ меньше) — редкий, но возможный случай; может дать большую способность связывать субстрат, но иногда снижает $k_{cat}$ (прайсинговая ловушка).
3) Как это отражается на потоке через путь (практические следствия)
- Два предельных режима:
- Если $[S]\gg K_m$, то $v\approx V_{max}$. Следовательно, снижение $V_{max}$ напрямую уменьшит поток: уменьшение $k_{cat}$ или количества активных ферментов снижает продукцию.
- Если $[S]\ll K_m$, то $v\approx \frac{k_{cat}}{K_m}[E{]}_T[S]$. Здесь важна эффективность $k_{cat}/K_m$; снижение сродства или катализа снизит скорость пропорционально эффективности.
- Возможные клеточные эффекты:
- Снижение потока через реакцию → накопление субстрата перед блоком и дефицит продукта после него.
- Накопление промежуточов может привести к токсичности или активации альтернативных путей/детоксикации.
- Снижение продукции конечного продукта может ослабить связанные биосинтетические процессы и вызвать компенсаторную регуляцию (повышение экспрессии фермента, фосфорилирование, активность изоформ).
- Для нелинейных путей: даже частичное снижение активности ключевого фермента (контролирующего шага) может кардинально снизить поток (высокий контрольный коэффициент потока).
- Особые случаи:
- Олигомерные ферменты: мутантный субюнит может иметь доминантно-негативный эффект, резко снижая активность всего комплекса.
- Изменение кинетики может менять чувствительность к ингибиторам/активаторам и к регуляции по обратной связи.
4) Оценка влияния в эксперименте/модели
- Измеряют $K_m$ и $V_{max}$ для дикого типа и мутанта; сравнивают $k_{cat}/K_m$.
- В расчётах потока используют уравнение Михаэлиса для оценки изменения скорости при физиологической $[S]$.
- Для сетей используют стационарный баланс потока и оценку коэффициентов управления потоком.
Короткая практическая подсказка: если мутация уменьшает $k_{cat}$ значительно, ожидайте узкое место в пути и накопление предшественников; если повышает $K_m$ при том же $V_{max}$, эффект будет заметен лишь при физиологических $[S]$ около или ниже нового $K_m$.