Коротко — как вторичная и третичная структуры влияют, и примеры «одна аминокислота — большой эффект».
1) Механизм влияния (кратко)
- Вторичная структура (α-спирали, β-слои) фиксирует локальную геометрию цепочки; петельки и повороты часто формируют вход в активный сайт и контактные точки с субстратом.
- Третичная структура сворачивает полипептид так, что каталитические остатки оказываются в правильной пространственной ориентации, формируются карманы специфичности, зарядовые и гидрофобные окружения, водородные сети и дегенерация переходного состояния.
- Динамика третичной структуры (флиппинг петель, «induced fit», конформационные ансамбли) регулирует доступ субстрата/продукта и высоту энергетического барьера.
- В кинетических терминах это меняет $k_{\mathrm{cat}}$ (скорость каждого каталитического цикла), $K_M$ (аппроксимация сродства при насыщении) и эффективность $k_{\mathrm{cat}}/K_M$. ММ-уравнение: $$v=\frac{k_{\mathrm{cat}}[E][S]}{K_M+[S]}.$$
2) Типы эффектов от замены одной аминокислоты
- Прямая потеря каталитического механизма (замена нуклеофила/кислоты/базы) → резкое падение $k_{\mathrm{cat}}$ (часто на 10^4–10^9).
- Изменение кармана специфичности (один остаток в S1/S2) → существенная смена $K_M$ и $k_{\mathrm{cat}}/K_M$ для разных субстратов (смена специфичности).
- Изменение распределения зарядов/диэдральных углов → изменение стабилизации переходного состояния и следовательно $k_{\mathrm{cat}}$.
- Далёкие (аллостерические) мутации могут менять конформационные равновесия и сильно влиять на кинетику.
3) Конкретные примеры (с эффектами)
- Сериновые протеазы (каталитическая триада Ser–His–Asp). Замена каталитической Сер (например, Ser195→Ala в химо- или трипсине) удаляет нуклеофил — активность падает экстремально: снижение $k_{\mathrm{cat}}$ на порядки величин (приближённо $10^6$–$10^9$-кратное в зависимости от субстрата и условий). Это типичный пример уничтожения катализа при единственной замене в активном центре.
- Лизоцим (Glu35). Остаток Glu35 служит как кислотно-основной каталитический посредник; замена Glu35→Gln приводит к падению каталитической скорости на несколько порядков (порядок $10^4$–$10^5$), т.е. сильное уменьшение $k_{\mathrm{cat}}$.
- Трипсин — специфичность S1-поля (Asp189). Asp189 в S1 даёт притяжение положительно заряженных боковых цепей (Lys/Arg). Замена Asp189→Ser или другой нейтральный остаток меняет профиль специфичности: активность по субстратам с Lys/Arg резко падает (увеличивается $K_M$ и/или падает $k_{\mathrm{cat}}/K_M$ для этих субстратов), а для нейтральных резидов может повышаться. То есть одна аминокислота меняет селективность кармана.
- β‑лактамаза TEM-1 (клинически важный пример). Одноточечные мутации в районе активного сайта (пример G238S; в комбинации с E104K) значительно повышают катализ некоторых цефалоспоринов (появление расширенного спектра): $k_{\mathrm{cat}}/K_M$ по специфичным антибиотикам может увеличиваться на десятки — сотни раз, что даёт устойчивость к лекарству.
- ВИЧ‑протеаза и резистентность к ингибиторам. Одна точечная мутация вблизи активного центра или в удалённой петле может резко повысить $K_i$ для ингибитора (снижение сродства) и одновременно менять каталитические параметры — пример функциональной перестройки рецептора активного сайта.
4) Вывод (очень кратко)
- Вторичная и особенно третичная структура задают геометрию и электрохимию активного центра; одна аминокислота, стоящая в ключевой позиции (нуклеофил, кислота/основа, остаток кармана специфичности или регуляторная позиция), может радикально изменить $k_{\mathrm{cat}}$, $K_M$ и $k_{\mathrm{cat}}/K_M$ — от потери активности на многие порядки до смены специфичности или повышения эффективности по новому субстрату.