Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/64270
Type: Dissertação
Title: Função de resíduos do sítio de ligação do FAD da salicilato hidroxilase sobre a sua capacidade de ligação, catálise e formação de produtos
Authors: Gustavo Alfonso Cifuentes Colorado
First Advisor: Tiago Antônio da Silva Brandão.
First Referee: Adolfo Henrique de Moraes Silva
Second Referee: Willian Ricardo Rocha
Abstract: A salicilato hidroxilase (NahG) de Pseudomonas putida é uma flavoenzima FAD-dependente da via de degradação do naftaleno que catalisa a descarboxilação oxidativa de salicilato em catecol, dióxido de carbono e água, com consumo de NADH e oxigênio molecular. A catálise envolve um intermediário flavina-hidroperóxido do FAD, o qual, junto com um resíduo de histidina conservado (H226) tem um papel central na conversão do salicilato. Outros resíduos conservados próximos do sítio de ligação do FAD e do salicilato são E38, D314 e R111. Neste trabalho, avaliou-se os efeitos termodinâmicos e cinéticos de mutações sítio-dirigidas E38A, D314A e R111Q em relação à capacidade de ligação do FAD e a catálise da descarboxilação oxidativa do salicilato. As energias livres de Gibbs de ligação para o FAD foram determinadas a partir das constantes de dissociação (Kd) dos complexos E.FAD determinadas utilizando titulações fluorométricas. O valor de Kd de 0,036 μM para a NahG nativa corresponde a um ΔG° de -10,2 kcal mol-1 a 25 ºC, que não sofre qualquer alteração pela mutação R111Q (Kd = 0,034 μM), sugerindo que este resíduo não tem um papel aparente na ligação do FAD, em contraste com observações estruturais que sugerem fortes ligações de hidrogênio entre o resíduo R111 e o grupo fosforila do FAD. As mutações E38A e D314A resultam em valores de Kd mais elevados, 8,94 e 4,71 μM, respectivamente, que correspondem a valores de energias livres de formação dos complexos E.FAD mais fracos em 3,3 e 2,9 kcal mol-1, respectivamente, quando comparados com a enzima nativa. Estes resultados sugerem que os resíduos E38 e D314 contribuem juntos em 6,2 kcal mol-1, aproximadamente 60% da energia total de ligação do FAD na enzima nativa. Nos estudos cinéticos das mutantes observou-se um efeito significativo de cerca de 1800 vezes em kcat devido à mutação R111Q e deslocamento total no particionamento da espécie flavo-hidroperóxido para a via desacoplada que conduz a produção de H2O2 sem qualquer conversão no substrato (via acoplada). Sugerindo que o resíduo R111 deve favorecer uma conformação aberta, onde o grupo isoaloxazina do FAD encontra-se ativo para redução pelo NADH e oxigenação, mas incapaz de produzir a conversão do substrato, que ocorre em uma conformação fechada de acordo com dados estruturais. O efeito conjunto de 1,6 kcal mol-1 a 25 °C dos resíduos E38 e D314 representa cerca de 10% da energia livre de Gibbs de ativação para kcat. Esses efeitos refletem parcialmente na capacidade da enzima em estabilizar a espécie flavo-hidroperóxido e realizar a conversão do substrato. Por fim, para a determinação da proporção de via desacoplada em relação a via acoplada, desenvolveu-se um novo método cinético que tem como vantagem em relação a métodos colorimétricos a possibilidade de determinar a proporção das vias dentro dos primeiros 10% de oxidação do NADH.
Abstract: Salicylate hydroxylase (NahG) from Pseudomonas putida is a FAD-dependent flavoenzyme of the naphthalene degradation pathway that catalyzes the oxidative decarboxylation of salicylate into catechol, carbon dioxide and water, with consumption of NADH and molecular oxygen. Catalysis involves a flavin-hydroperoxide intermediate of FAD, which, together with a conserved histidine residue (H226) plays a central role in salicylate conversion. Other conserved residues near to the FAD and salicylate binding sites are E38, D314 and R111. Herein, the thermodynamic and kinetic effects of site-directed mutations E38A, D314A and R111Q were evaluated in relation to FAD binding capacity and catalysis of the salicylate oxidative decarboxylation. The binding Gibbs free energies for FAD were determined from the dissociation constants (Kd) of the E.FAD complexes determined using fluorometric titrations. The Kd value of 0.036 μM for the native NahG corresponds to a ΔG° of -10.2 kcal mol-1 at 25 ºC, which is not altered by the R111Q mutation (Kd = 0.034 μM), suggesting that this residue has not an apparent role in FAD binding in contrast to structural observations that suggest strong hydrogen bonds between residue R111 and the phosphoryl group of FAD. The E38A and D314A mutations result in higher Kd values, 8.94 and 4.71 μM, respectively, which correspond to weaker E.FAD complexes by 3.3 and 2.9 kcal mol-1, respectively, when compared to the native enzyme. These results suggest that residues E38 and D314 together contribute with 6.2 kcal mol-1, approximately 60% of the total binding energy of FAD in the native enzyme. In the kinetic studies of the mutants, a significant effect of approximately 1800 times on kcat was observed due to the R111Q mutation and a total shift in the partitioning of the flavohydroperoxide species to the uncoupled pathway that leads to the production of H2O2 without any conversion of the substrate (coupled pathway). Suggesting that residue R111 may favor an open conformation, where the isoalloxazine group of FAD is active for reduction by NADH and oxygenation, but unable to produce substrate conversion, which requires a closed conformation according to structural data. The joint effect of 1.6 kcal mol-1 at 25 °C of residues E38 and D314 represents about 10% of the Gibbs free energy of activation for kcat. These effects partially reflect on the enzyme's ability to stabilize the flavohydroperoxide species and its capacity to carry out substrate conversion. Finally, to determine the proportion between the uncoupled and coupled pathways, a new kinetic method was developed, which has the advantage over colorimetric methods of being able to determine the proportion of pathways within the first 10% of NADH oxidation.
Subject: Química orgânica
Mutagênese química
Água oxigenada
Cinética química
Fluorimetria
Salicilatos
Catálise
Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos
Biorremediação
Pseudomonas
Espectroscopia de ultravioleta
Termodinâmica
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química
Rights: Acesso Restrito
URI: http://hdl.handle.net/1843/64270
Issue Date: 20-Dec-2023
metadata.dc.description.embargo: 20-Dec-2025
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dissertacao_Gustavo_Cifuentes_C.pdf
???org.dspace.app.webui.jsptag.ItemTag.restrictionUntil??? 2025-07-20
Dissertacao mestrado Gustavo Cifuentes3.4 MBAdobe PDFView/Open    Request a copy


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.