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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.46.2009.tde-10122009-143601
Document
Author
Full name
Lúcio Mário Ferreira de Mendonça
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2009
Supervisor
Committee
Marana, Sandro Roberto (President)
Baldini, Regina Lúcia
Ho, Paulo Lee
Soares Netto, Luis Eduardo
Tersariol, Ivarne Luis dos Santos
Title in Portuguese
Bases moleculares da especificidade pelo substrato em β-glicosidases
Keywords in Portuguese
Beta-Glicosidase
Bioquímica animal
Enzimas glicolíticas
Especificidade pelo Substrato
Lepidoptera
Mutagênese
Abstract in Portuguese
β-glicosidases da família 1 das glicosídeo hidrolases (GH 1) são um dos mais importantes grupos de enzimas, estando envolvidas em diversos processos biológicos. Neste trabalho o objetivo principal foi o estudo das bases moleculares da especificidade pelo substrato em β-glicosidases GH 1 utilizando como modelo experimental uma β-glicosidase pertencente a larva de Spodoptera frugiperda (Sfβgli50). Na primeira etapa procurou-se analisar através de mutagênese sítio-dirigida e cinética enzimática o papel na modulação da especificidade pelo substrato e na catálise dos resíduos E190, E194, K201 e M453 da Sfβgli50 , os quais correspondem aos encontrados no sítio de ligação do aglicone das β-glicosidases de milho e de sorgo. Os resultados mostraram que E190 favorece a ligação da porção inicial de aglicones do tipo alquil inicial e também da primeira unidade de glicose de aglicones oligossacarídicos. E194 favorece a ligação de radicais alquil, enquanto K201 é mais relevante para a ligação de unidades de glicose em detrimento de radicais alquil. O balanço entre as interações com E194 e K201 determina a preferência entre unidades de glicose versus radicais alquil. M453 favorece a ligação da segunda unidade de glicose de aglicones oligossacarídicos e também da porção inicial de aglicones do tipo alquil. Nenhum destes resíduos interage com a porção terminal de aglicones do tipo alquil. Demonstrou-se que todos estes resíduos contribuem de forma similar e individualmente fraca na estabilização do complexo ES e suas interações com o aglicone não influenciam na ligação do glicone. Na segunda etapa, procurou-se identificar resíduos ou regiões da Sfβgli50 que participem do processo de modulação da especificidade pelo substrato e que ainda não tivessem sido descritos na literatura. Assim, selecionou-se 14 Sfβgli50 mutantes a partir de uma "biblioteca" de mutantes geradas por mutagênese aleatória in vivo. As análises de "contatos" e de ligações de hidrogênio envolvendo estes resíduos mutados possibilitaram a identificação de outros resíduos e, consequentemente, a construção de mais 32 Sfβgli50 mutantes. Estas 46 Sfβgli50 mutantes foram produzidas em sistema heterólogo de expressão em bactéria, purificadas e caracterizadas cineticamente. A análise dos resultados obtidos sugere que alguns resíduos mutados devem participar da modulação da especificidade pelo substrato formando "vias de conexão", de tal forma que mutações em resíduos que compõem uma "via" podem ter efeitos propagados através de suas conexões e, assim, atingirem outras porções da Sfβgli50, como o sítio ativo. Esta propagação pode se dar através de alterações no posicionamento espacial e no conjunto das interações não-covalentes entre os resíduos envolvidos. Finalmente um ponto em comum aos efeitos mutacionais analisados parece ser uma alteração na plataforma basal do glicone, W444, o que causaria modificações na preferência relativa pelos substratos fucosídeos e glucosídeos.
Title in English
Molecular bases of the specificity substrate of a β-glicodase
Keywords in English
beta-glycosidase
Enzymes
Mutagenesis
Substrate Specificities
Abstract in English
The β-glycosidases of family 1 of the glycoside hydrolases (GH 1) are one of the most important groups of enzymes. These enzymes are involved in a high diversity of physiological functions. The main objective of this study was the analysis of the molecular bases of the specificity for substrate of a β-glycosidase from the larvae of Spodoptera frugiperda (Sfβgli50). Initially the role of residues E190, E194, K201 and M453 of Sfβgli50 in modulation of the specificity for the substrate was investigated through site-directed mutagenesis experiments and enzyme kinetic analysis. These residues corresponds to the those found in the aglycone binding site of Zea mays and Sorghum bicolor β-glycosidases. The results showed that E190 favors the binding of the initial portion of alkyl-type aglycones (up to the sixth methylene group) and also the first glucose unit of oligosaccharidic aglycones, whereas a balance between interactions with E194 and K201 determines the preference for glucose units versus alkyl moieties. E194 favors the binding of alkyl moieties, while K201 is more relevant for the binding of glucose units, in detriment of its favorable interaction with alkyl moieties. In addition, M453 favors the binding of the second glucose unit of oligosaccharidic aglycones and also of the initial portion of alkyl-type aglycones. None of these residues interact with the terminal portion of alkyl-type aglycones. It was also demonstrated that E190, E194, K201 and M453 similarly contribute to stabilize ES. Their interactions with aglycone are individually weaker than those formed by residues interacting with glycone, but their joint catalytic effects are similar. Finally, these interactions with aglycone do not influence glycone binding. In the second part of this study, new Sfβgli50 residues or portions that participated in the modulation of the substrate specificity were identified. In order to reach this objective, 14 Sfβgli50 mutants were seleted from a "library" generated by random mutagenesis in vivo. Based on the "contacts" or hydrogen bounds involving these 14 mutated residues 32 additional mutant Sfβgli50 were constructed. These 46 Sfβgli50 mutant were produced in bacteria, purificated and characterized. The results suggest that these residues ways be grouped in "connective pathways", a set of residues that contact each other. Mutations in residues that compose a "pathways" may be propagated through its connections reaching the Sfβgli50 active site. This propagation may be mediated by alterations in the spatial positioning and the set of non covalent interactions of these residues. Finally, several of these "connective pathways" contact a common point in the active site, the basal platform of the glycone subsite, W444.
 
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Publishing Date
2010-04-14
 
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