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. / 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.

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. / 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.

A catepsina L, uma cisteína proteinase da família da papaína, é a principal proteinase digestiva do besouro Tenebrio molitor. Estudos anteriores do nosso grupo mostraram que existem três catepsinas L no intestino médio do T. molitor, uma delas é lisossômica (CAL 1) e as outras duas são digestivas (CAL 2 e CAL 3). As estruturas 3D das enzimas digestivas foram recentemente elucidadas. Com o objetivo de estudar em detalhes as propriedades das enzimas digestivas, CAL 3 foi expressa como um zimógeno em E. coli, purificada por cromatografia de afinidade e autoativada em meio ácido. Foram realizados ensaios de atividade com 63 peptídeos FRET derivados da sequência Abz-KLRSSKQ-EDDnp em um espectrofluorímetro termostatizado a 30 ºC, monitorando-se continuamente a variação de fluorescência em 320 nm (λex) e 420 nm (λem). Os parâmetros kcat e KM obtidos foram utilizados na determinação da hidrofobicidade dos subsítios (H) e da função de cada subsítio através da razão das energias livres de ativação do complexo enzima-substrato (ΔG‡T) e de ligação da enzima com o substrato (ΔGs). Os resultados mostram que o subsítio S2 está envolvido prioritariamente em catálise e é bastante seletivo para substratos com resíduos hidrofóbicos em P2. Esse subsítio é o mais hidrofóbico dentre os analisados, encontrando-se num bolsão localizado no interior da enzima. O subsítio S\'2, por outro lado, é o que apresentou a menor especificidade dentre os analisados. Este subsítio está envolvido prioritariamente na ligação com o substrato e se localiza na superfície da enzima, o que pode facilitar a acomodação de diferentes cadeias laterais em P\'2 do substrato, não oferecendo muitas restrições espaciais. O subsítio S1, hidrofílico, não é muito seletivo, o que pode ser consequência de sua localização na superfície da enzima. Esse subsítio está prioritariamente envolvido na ligação com o substrato. O subsítio S\'1, assim como S1, está localizado na superfície da enzima, é hidrofílico e não muito seletivo. No entanto, esse subsítio tem papel na catálise além de atuar na ligação do substrato. Numa análise inicial da estrutura 3D deste subsítio, sua função catalítica foi atribuída à presença de parte da cavidade oxiânica. Uma enzima com mutação no resíduo W187, pertencente à cavidade oxiânica e a S\'1, foi produzida e purificada, no entanto essa enzima não apresentou atividade. Uma análise mais aprofundada mostrou que a falta de atividade pode ser atribuída ao fato do resíduo de aminoácido mutado fazer parte de um cluster aromático essencial à estabilização da tríade catalítica. Os dados obtidos na caracterização de S\'1 e S\'2 permitem inferir que a acilação é o passo limitante da reação da CAL 3. Além disso, os resultados deste trabalho mostram que o conceito de hidrofobicidade de subsítios proposto anteriormente pelo grupo parece ser aplicável a subsítios que apresentem especificidades mais restritas. / Cathepsin L, a cysteine proteinase of the papain family, is the major digestive proteinase in the beetle Tenebrio molitor. Previous studies of our group showed that there are three cathepsins L in T. molitor midgut, one is lysosomal (CAL1) and two are digestive (CAL2 and CAL3). The 3D structures of the digestive enzymes were recently elucidated. With the aim to study in details the digestive enzymes specificities, CAL3 was expressed in E. coli as a zymogen, purified by affinity chromatography and autoactivated in acid conditions. Activity assays were performed in a thermostated spectrofluorometer at 30 ºC with 63 FRET peptides derived from the lead sequence Abz-KLRSSKQ-EDDnp, continuously monitoring the fluorescence changes at 320 nm (λex) and 420 nm (λem). The parameters kcat and KM were used in the determination of subsite hydrophobicity (H) and subsite role based on the ratio of complex enzyme-substrate activation energy (ΔG‡T) and free energy of substrate binding (ΔGs). The data obtained suggest that the S2 is mainly involved in catalysis and is very selective to substrates with hydrophobic residues in P2. This subsite is the most hydrophobic among the analyzed and is located in a pocket in the enzyme interior. S\'2, on the other hand, is the less selective subsite and is mainly involved in substrate binding and is located on the enzyme surface, what can ease the accommodation of different side chains located in P\'2 by not imposing many spatial restrictions. S1, is hydrophilic and not very selective, what may be a consequence of its location on the enzyme surface. This subsite is mainly involved in substrate binding. S\'1, just like S1, is located on the enzyme surface, is hydrophilic and not very selective. However this subsite has a role in catalysis besides the role in substrate binding. In an initial 3D structure analysis its catalytic function was attributed to the presence of a part of the oxyanion hole. An enzyme with mutation in the residue W187, which apparently belonged both to the oxyanion hole and S\'1, was produced and purified, but this enzyme was inactive. A better analysis showed that the lack of activity can be attributed to the fact that the mutated residue belongs to an aromatic cluster that is essential to the catalytic triad stabilization. The data obtained in S\'1 and S\'2 characterization suggest that acylation is the limiting step in CAL 3 reaction. The results presented in this work support the concept of subsite hydrophobicity previously proposed by our group, which seems to be true to subsites with more restrict specificities

A catepsina L, uma cisteína proteinase da família da papaína, é a principal proteinase digestiva do besouro Tenebrio molitor. Estudos anteriores do nosso grupo mostraram que existem três catepsinas L no intestino médio do T. molitor, uma delas é lisossômica (CAL 1) e as outras duas são digestivas (CAL 2 e CAL 3). As estruturas 3D das enzimas digestivas foram recentemente elucidadas. Com o objetivo de estudar em detalhes as propriedades das enzimas digestivas, CAL 3 foi expressa como um zimógeno em E. coli, purificada por cromatografia de afinidade e autoativada em meio ácido. Foram realizados ensaios de atividade com 63 peptídeos FRET derivados da sequência Abz-KLRSSKQ-EDDnp em um espectrofluorímetro termostatizado a 30 ºC, monitorando-se continuamente a variação de fluorescência em 320 nm (λex) e 420 nm (λem). Os parâmetros kcat e KM obtidos foram utilizados na determinação da hidrofobicidade dos subsítios (H) e da função de cada subsítio através da razão das energias livres de ativação do complexo enzima-substrato (ΔG‡T) e de ligação da enzima com o substrato (ΔGs). Os resultados mostram que o subsítio S2 está envolvido prioritariamente em catálise e é bastante seletivo para substratos com resíduos hidrofóbicos em P2. Esse subsítio é o mais hidrofóbico dentre os analisados, encontrando-se num bolsão localizado no interior da enzima. O subsítio S\'2, por outro lado, é o que apresentou a menor especificidade dentre os analisados. Este subsítio está envolvido prioritariamente na ligação com o substrato e se localiza na superfície da enzima, o que pode facilitar a acomodação de diferentes cadeias laterais em P\'2 do substrato, não oferecendo muitas restrições espaciais. O subsítio S1, hidrofílico, não é muito seletivo, o que pode ser consequência de sua localização na superfície da enzima. Esse subsítio está prioritariamente envolvido na ligação com o substrato. O subsítio S\'1, assim como S1, está localizado na superfície da enzima, é hidrofílico e não muito seletivo. No entanto, esse subsítio tem papel na catálise além de atuar na ligação do substrato. Numa análise inicial da estrutura 3D deste subsítio, sua função catalítica foi atribuída à presença de parte da cavidade oxiânica. Uma enzima com mutação no resíduo W187, pertencente à cavidade oxiânica e a S\'1, foi produzida e purificada, no entanto essa enzima não apresentou atividade. Uma análise mais aprofundada mostrou que a falta de atividade pode ser atribuída ao fato do resíduo de aminoácido mutado fazer parte de um cluster aromático essencial à estabilização da tríade catalítica. Os dados obtidos na caracterização de S\'1 e S\'2 permitem inferir que a acilação é o passo limitante da reação da CAL 3. Além disso, os resultados deste trabalho mostram que o conceito de hidrofobicidade de subsítios proposto anteriormente pelo grupo parece ser aplicável a subsítios que apresentem especificidades mais restritas. / Cathepsin L, a cysteine proteinase of the papain family, is the major digestive proteinase in the beetle Tenebrio molitor. Previous studies of our group showed that there are three cathepsins L in T. molitor midgut, one is lysosomal (CAL1) and two are digestive (CAL2 and CAL3). The 3D structures of the digestive enzymes were recently elucidated. With the aim to study in details the digestive enzymes specificities, CAL3 was expressed in E. coli as a zymogen, purified by affinity chromatography and autoactivated in acid conditions. Activity assays were performed in a thermostated spectrofluorometer at 30 ºC with 63 FRET peptides derived from the lead sequence Abz-KLRSSKQ-EDDnp, continuously monitoring the fluorescence changes at 320 nm (λex) and 420 nm (λem). The parameters kcat and KM were used in the determination of subsite hydrophobicity (H) and subsite role based on the ratio of complex enzyme-substrate activation energy (ΔG‡T) and free energy of substrate binding (ΔGs). The data obtained suggest that the S2 is mainly involved in catalysis and is very selective to substrates with hydrophobic residues in P2. This subsite is the most hydrophobic among the analyzed and is located in a pocket in the enzyme interior. S\'2, on the other hand, is the less selective subsite and is mainly involved in substrate binding and is located on the enzyme surface, what can ease the accommodation of different side chains located in P\'2 by not imposing many spatial restrictions. S1, is hydrophilic and not very selective, what may be a consequence of its location on the enzyme surface. This subsite is mainly involved in substrate binding. S\'1, just like S1, is located on the enzyme surface, is hydrophilic and not very selective. However this subsite has a role in catalysis besides the role in substrate binding. In an initial 3D structure analysis its catalytic function was attributed to the presence of a part of the oxyanion hole. An enzyme with mutation in the residue W187, which apparently belonged both to the oxyanion hole and S\'1, was produced and purified, but this enzyme was inactive. A better analysis showed that the lack of activity can be attributed to the fact that the mutated residue belongs to an aromatic cluster that is essential to the catalytic triad stabilization. The data obtained in S\'1 and S\'2 characterization suggest that acylation is the limiting step in CAL 3 reaction. The results presented in this work support the concept of subsite hydrophobicity previously proposed by our group, which seems to be true to subsites with more restrict specificities