While experiments provide valuable information about biological molecules, current technology cannot yet monitor atomic fluctuations at relevant time scales. Theoretical computational simulations are able to model the appropriate interactions at atomic resolution. Computational techniques have become widely used for identifying interactions in biological systems. Such methods have proven quite accurate in their ability to reproduce experimental data and also in screening and predicting pertinent activities. Molecular modeling employs theoretical and computational techniques to elucidate biologically relevant information from macromolecular structures. Three biological systems, the nucleosome core particle, myoglobin and glycosyl hydrolase family 1 beta-glucosidases will be examined with molecular modeling methods. Results of our analyses provide information about DNA flexibility and packaging, internal migration of ligands in a small protein, and substrate specificity of an enzyme system. / Ph. D.

Foram purificadas através de uma combinação de cromatografias as duas &#946;- glicosidases digestivas (Mr 47.000 e 50.000 - denominadas &#946;47 e &#946;50, respectivamente) encontradas na larva de S. frugiperda. Experimentos de competição entre substratos e modificação química mostraram que a &#946;47 possui dois sítios ativos. Um desses sítios denominado aril&$946;glicosidase apresenta um subsítio -1 que liga galactose mais eficientemente do enquanto ,que o subsítio +1 prefere pequenos grupos hidrofóbicos cíclicos. O segundo sítio, denominado celobiase, possui um subsítio -1 que prefere glicose. Já a região de ligação do aglicone apresenta 4 subsítios, que ligam glicose com afinidade decrescente à medida que afastam-se do ponto de clivagem do substrato. O cDNA que codifica a &#946;50 foi clonado e sequenciado. Alinhamentos de sequência de aminoácidos, experimentos de competição entre substratos e inibição mostraram que esta enzima possui apenas um sítio ativo. O subsítio -1, cuja especificidade é controlada por uma rede de pontes de hidrogênio, foi estudado comparando-se os parâmetros cinéticos (Kcat e KcaUKm) para a hidrólise de NP&#946;glicosídeos. A região de posicionamento do aglicone, uma fenda hidrofóbica composta de 3 subsítios, foi caracterizada utilizando-se alquil &#946;-glucosídeos e oligocelodextrinas como inibidores. O alinhamento da sequência de aminoácidos da &#946;50 com outras glicosil hidrolases sugeriu quais aminoácidos participariam da ligação do substrato e que o GlU187 (doador de prótons - pKa = 7,5) e o GIU399 (nucleófilo - pKa = 4,5) estão diretamente envolvidos na catálise. Além disso, a Arg97 e a Tyr331 participam indiretamente modulando o pKa do GIU399. r . / Two digestive &#946;-glycosidases (MW 47,000 and 50,000, named &#946;gly47 and &#946;gly50, respectively) whose are found in the S. frugiperda larvae were purified by a combination of chromatographic steps. Substrate competition experiments and chemical modification data showed that &#946;gly47 has two active sites. One of them was called aryl &#946;-glycosidase and presents a -1 subsite that prefers galactose while the +1 subsite binds small cyclic hydrophobic groups. The other active site was called cellobiase and presents 4 subsites that bind glucose residues weaker as they get far from the cleavage point. The cDNA that codes the &#946;gly50 was cloned and sequenced. Amino acid sequence alignment, substrate competition experiments and inhibitions proved that this enzyme has just one active site. The -1 subsite specificity is controlled by a hydrogen bond network as it was showed comparing the kinetic parameters (Kcat and KcatlKm) for some NP&#946;glycosides hydrolysis. The aglycone binding region, a hydrophobic cleft, was studied with alkyl &#946;-glucosides and oligocellodextrins as competitive inhibitors. Amino acid sequence alignment between the &#946;gly50 and other glycosil hydrolases showed the amino acids responsible for the substrate binding and that the GIU<SUB.187 (proton donor - pKa = 7.5) and GIU399 (nucleophile - pKa = 4.5) are directly involved in the catalysis. Beside this, Arg97 and Tyr331 participate indirectly in the catalysis, modulating the nucleophile pKa

Foram purificadas através de uma combinação de cromatografias as duas &#946;- glicosidases digestivas (Mr 47.000 e 50.000 - denominadas &#946;47 e &#946;50, respectivamente) encontradas na larva de S. frugiperda. Experimentos de competição entre substratos e modificação química mostraram que a &#946;47 possui dois sítios ativos. Um desses sítios denominado aril&$946;glicosidase apresenta um subsítio -1 que liga galactose mais eficientemente do enquanto ,que o subsítio +1 prefere pequenos grupos hidrofóbicos cíclicos. O segundo sítio, denominado celobiase, possui um subsítio -1 que prefere glicose. Já a região de ligação do aglicone apresenta 4 subsítios, que ligam glicose com afinidade decrescente à medida que afastam-se do ponto de clivagem do substrato. O cDNA que codifica a &#946;50 foi clonado e sequenciado. Alinhamentos de sequência de aminoácidos, experimentos de competição entre substratos e inibição mostraram que esta enzima possui apenas um sítio ativo. O subsítio -1, cuja especificidade é controlada por uma rede de pontes de hidrogênio, foi estudado comparando-se os parâmetros cinéticos (Kcat e KcaUKm) para a hidrólise de NP&#946;glicosídeos. A região de posicionamento do aglicone, uma fenda hidrofóbica composta de 3 subsítios, foi caracterizada utilizando-se alquil &#946;-glucosídeos e oligocelodextrinas como inibidores. O alinhamento da sequência de aminoácidos da &#946;50 com outras glicosil hidrolases sugeriu quais aminoácidos participariam da ligação do substrato e que o GlU187 (doador de prótons - pKa = 7,5) e o GIU399 (nucleófilo - pKa = 4,5) estão diretamente envolvidos na catálise. Além disso, a Arg97 e a Tyr331 participam indiretamente modulando o pKa do GIU399. r . / Two digestive &#946;-glycosidases (MW 47,000 and 50,000, named &#946;gly47 and &#946;gly50, respectively) whose are found in the S. frugiperda larvae were purified by a combination of chromatographic steps. Substrate competition experiments and chemical modification data showed that &#946;gly47 has two active sites. One of them was called aryl &#946;-glycosidase and presents a -1 subsite that prefers galactose while the +1 subsite binds small cyclic hydrophobic groups. The other active site was called cellobiase and presents 4 subsites that bind glucose residues weaker as they get far from the cleavage point. The cDNA that codes the &#946;gly50 was cloned and sequenced. Amino acid sequence alignment, substrate competition experiments and inhibitions proved that this enzyme has just one active site. The -1 subsite specificity is controlled by a hydrogen bond network as it was showed comparing the kinetic parameters (Kcat and KcatlKm) for some NP&#946;glycosides hydrolysis. The aglycone binding region, a hydrophobic cleft, was studied with alkyl &#946;-glucosides and oligocellodextrins as competitive inhibitors. Amino acid sequence alignment between the &#946;gly50 and other glycosil hydrolases showed the amino acids responsible for the substrate binding and that the GIU<SUB.187 (proton donor - pKa = 7.5) and GIU399 (nucleophile - pKa = 4.5) are directly involved in the catalysis. Beside this, Arg97 and Tyr331 participate indirectly in the catalysis, modulating the nucleophile pKa

A análise de proteínas como redes é uma ferramenta poderosa para compreender as suas propriedades e a importância relativa de seus resíduos. Nesta análise, os resíduos que interagem entre si, covalentemente ou não, são chamados conectados. Nesta abordagem, alguns resíduos contribuem mais fortemente para manter as propriedades da rede, sendo chamados de centrais. Diversos trabalhos têm apontado que resíduos centrais da Rede de Estrutura Proteica também são importantes nas propriedades das proteínas, desempenhando papéis na catálise, estabilidade térmica e alosteria. No entanto, existe falta de trabalhos desenhados de forma sistemática para confirmar esta hipótese. Neste sentido, esta tese tem como objetivo avaliar se existe correlação entre a centralidade dos resíduos de uma enzima, a beta-glicosidase de Spodoptera frugiperda, Sf&#946;gli, e a importância destes resíduos na determinação das suas propriedades. Para isso, foram utilizadas duas abordagens (capítulo 1): Na primeira, os resíduos centrais foram diretamente perturbados substituindo-os, através de mutação sítio-dirigida, por alanina. Na segunda, perturbações no resíduo central foram feitas modificando a vizinhança deste resíduo através de mutações que introduziram ou removeram volume de seu entorno. A partir disso, foi avaliado se estas perturbações afetaram as propriedades Sf&#946;gli. De forma geral, foi observado (capítulo 2) que as perturbações nos resíduos centrais por ambas abordagens afetam significativamente a termoestabilidade da proteína, reduzindo a sua Tm em até 15°C e aumentando a velocidade de sua desnaturação térmica em até mais de 20 vezes. Além disso, a atividade catalítica de Sf&#946;gli é reduzida por estas perturbações (capítulo 3), sendo que este efeito e a perda da termoestabilidade parecem resultar da mesma causa, a perturbação do resíduo central. No capítulo 4, a investigação do estado oligomérico da Sf&#946;gli por SAXS revelou que esta ocorre preponderantemente como dímero em citrato-fosfato 100 mM pH 6,0, mas como um grande oligômero, possivelmente um dodecâmero, em fosfato 10 mM pH 6,0. Paralelamente foi demonstrado que Sf&#946;gli passa por uma ativação quando em tampão fosfato 10 mM, convergindo para as propriedades cinéticas de Sf&#946;gli em citrato-fosfato 100 mM. Redes de Estrutura Proteica foram produzidas considerando-se também a interação entre as cadeias polipeptídicas constituintes de oligômeros de Sf&#946;gli (dímeros, tetrâmeros e hexâmeros). Assim, observou-se que cinco resíduos são sempre centrais por betweeness, mesmo considerando diferentes oligomêros da Sfgli. Destes, E187, P188 e N329 desempenham papéis conhecidos na catálise e S247 e N249 foram caracterizados nesta tese. Por fim, no capítulo 5, analisando a centralidade dos resíduos da Rede Estrutural da Sf&#946;gli, observa-se uma preponderante presença de resíduos centrais por C&#916;Lp, closeness e betweeness no topo do beta-barril, demonstrando que esta região é muito próxima dos demais resíduos da proteína. Além disso, uma análise da centralidade dos resíduos de 21 beta-glicosidases GH1 revelou que resíduos centrais por closeness são bastante conservados, sendo encontrados predominantemente no sítio ativo destas enzimas, enquanto que dentre os centrais por betweeness há variabilidade. Portanto os resultados apresentados nesta tese suportam experimentalmente a hipótese de que a centralidade dos resíduos na Rede de Estrutura Proteica é correlacionada com propriedades funcionais das proteínas. / Analysis of protein structures as networks has been shown a powerful tool to understand their properties and to identify important residues. In the network analysis, residues that interact with each other are called connected. Some residues are essential to shorten the connection pathways between distant residues in the protein structure, being called central. Central residues have been proposed to have important roles in catalysis, thermal stability and allostery. In order to experimentally assess the correlation between the residue centrality and its importance in the protein properties, we use two approaches (chapter 1): The first one is to make single mutations at the central residues of a betaglucosidase Sf&#946;gly, changing those residues to alanine. The second one is to perturb a central residue (F251) by changing its environment through single mutations that introduces voids or additional volume. Next, we evaluate how those mutations affect the protein thermostability and function. In general, we have observed (chapter 2) that mutations at central residues reduce the Tm in 2 - 15°C and increase the unfolding rate up to 20 times, suggesting that damages in the central residues make the protein more unstable. Moreover, we have observed (chapter 3) that the perturbation of the central residues reduces Sf&#946;gly catalysis, which seems to arise from the same cause that lead to the loss of thermal stability. Besides that, in chapter 4, the investigation of oligomeric state of Sfgli using SAXS indicated that this protein is mainly a dimer in 100 mM citrate-phosphate pH 6,0, whereas it forms large oligomers, possibly dodecamers, in 10 mM phosphate pH 6,0. In parallel it was shown that Sf&#946;gly undergoes an activation process in 10 mM phosphate and its kinetic parameters converge to those observed for Sf&#946;gly in 100 mM citrate-phosphate. Protein Structural Networks were built considering also that there are links between the polypeptidic chains of the Sf&#946;gly oligomers. We observed 5 residues that are central in all kind of oligomeric structures here analyzed. Three of these residues, E187, P188 and N329, play important roles in the catalysis of this enzyme, and two of them (S247 and N249 are described in this thesis. Lastly, in the chapter 5, we observed that central residues by closeness, betweeness and C&#916;Lp are concentrated at the top of the beta-barrel (C-terminal end of the beta-strands and subsequent loops), suggesting that this region, where the active site is placed, is close, in terms of contacts, to the whole Sf&#946;gly structure. Moreover, we have built the Protein Structural Network of 21 beta-glucosidases of the Glucoside Hydrolases family 1, revealing that the closeness central residues are highly conserved, being located in the active site of these enzymes. On the other hand, betweeness central residues are located in the same sites in the structure of different beta-glucosidases, but they are not always conserved. Shortly, these data experimentally support the hypothesis that the residue centrality in Protein Structural Network is correlated with the protein properties, as catalysis and stability.

A análise de proteínas como redes é uma ferramenta poderosa para compreender as suas propriedades e a importância relativa de seus resíduos. Nesta análise, os resíduos que interagem entre si, covalentemente ou não, são chamados conectados. Nesta abordagem, alguns resíduos contribuem mais fortemente para manter as propriedades da rede, sendo chamados de centrais. Diversos trabalhos têm apontado que resíduos centrais da Rede de Estrutura Proteica também são importantes nas propriedades das proteínas, desempenhando papéis na catálise, estabilidade térmica e alosteria. No entanto, existe falta de trabalhos desenhados de forma sistemática para confirmar esta hipótese. Neste sentido, esta tese tem como objetivo avaliar se existe correlação entre a centralidade dos resíduos de uma enzima, a beta-glicosidase de Spodoptera frugiperda, Sf&#946;gli, e a importância destes resíduos na determinação das suas propriedades. Para isso, foram utilizadas duas abordagens (capítulo 1): Na primeira, os resíduos centrais foram diretamente perturbados substituindo-os, através de mutação sítio-dirigida, por alanina. Na segunda, perturbações no resíduo central foram feitas modificando a vizinhança deste resíduo através de mutações que introduziram ou removeram volume de seu entorno. A partir disso, foi avaliado se estas perturbações afetaram as propriedades Sf&#946;gli. De forma geral, foi observado (capítulo 2) que as perturbações nos resíduos centrais por ambas abordagens afetam significativamente a termoestabilidade da proteína, reduzindo a sua Tm em até 15°C e aumentando a velocidade de sua desnaturação térmica em até mais de 20 vezes. Além disso, a atividade catalítica de Sf&#946;gli é reduzida por estas perturbações (capítulo 3), sendo que este efeito e a perda da termoestabilidade parecem resultar da mesma causa, a perturbação do resíduo central. No capítulo 4, a investigação do estado oligomérico da Sf&#946;gli por SAXS revelou que esta ocorre preponderantemente como dímero em citrato-fosfato 100 mM pH 6,0, mas como um grande oligômero, possivelmente um dodecâmero, em fosfato 10 mM pH 6,0. Paralelamente foi demonstrado que Sf&#946;gli passa por uma ativação quando em tampão fosfato 10 mM, convergindo para as propriedades cinéticas de Sf&#946;gli em citrato-fosfato 100 mM. Redes de Estrutura Proteica foram produzidas considerando-se também a interação entre as cadeias polipeptídicas constituintes de oligômeros de Sf&#946;gli (dímeros, tetrâmeros e hexâmeros). Assim, observou-se que cinco resíduos são sempre centrais por betweeness, mesmo considerando diferentes oligomêros da Sfgli. Destes, E187, P188 e N329 desempenham papéis conhecidos na catálise e S247 e N249 foram caracterizados nesta tese. Por fim, no capítulo 5, analisando a centralidade dos resíduos da Rede Estrutural da Sf&#946;gli, observa-se uma preponderante presença de resíduos centrais por C&#916;Lp, closeness e betweeness no topo do beta-barril, demonstrando que esta região é muito próxima dos demais resíduos da proteína. Além disso, uma análise da centralidade dos resíduos de 21 beta-glicosidases GH1 revelou que resíduos centrais por closeness são bastante conservados, sendo encontrados predominantemente no sítio ativo destas enzimas, enquanto que dentre os centrais por betweeness há variabilidade. Portanto os resultados apresentados nesta tese suportam experimentalmente a hipótese de que a centralidade dos resíduos na Rede de Estrutura Proteica é correlacionada com propriedades funcionais das proteínas. / Analysis of protein structures as networks has been shown a powerful tool to understand their properties and to identify important residues. In the network analysis, residues that interact with each other are called connected. Some residues are essential to shorten the connection pathways between distant residues in the protein structure, being called central. Central residues have been proposed to have important roles in catalysis, thermal stability and allostery. In order to experimentally assess the correlation between the residue centrality and its importance in the protein properties, we use two approaches (chapter 1): The first one is to make single mutations at the central residues of a betaglucosidase Sf&#946;gly, changing those residues to alanine. The second one is to perturb a central residue (F251) by changing its environment through single mutations that introduces voids or additional volume. Next, we evaluate how those mutations affect the protein thermostability and function. In general, we have observed (chapter 2) that mutations at central residues reduce the Tm in 2 - 15°C and increase the unfolding rate up to 20 times, suggesting that damages in the central residues make the protein more unstable. Moreover, we have observed (chapter 3) that the perturbation of the central residues reduces Sf&#946;gly catalysis, which seems to arise from the same cause that lead to the loss of thermal stability. Besides that, in chapter 4, the investigation of oligomeric state of Sfgli using SAXS indicated that this protein is mainly a dimer in 100 mM citrate-phosphate pH 6,0, whereas it forms large oligomers, possibly dodecamers, in 10 mM phosphate pH 6,0. In parallel it was shown that Sf&#946;gly undergoes an activation process in 10 mM phosphate and its kinetic parameters converge to those observed for Sf&#946;gly in 100 mM citrate-phosphate. Protein Structural Networks were built considering also that there are links between the polypeptidic chains of the Sf&#946;gly oligomers. We observed 5 residues that are central in all kind of oligomeric structures here analyzed. Three of these residues, E187, P188 and N329, play important roles in the catalysis of this enzyme, and two of them (S247 and N249 are described in this thesis. Lastly, in the chapter 5, we observed that central residues by closeness, betweeness and C&#916;Lp are concentrated at the top of the beta-barrel (C-terminal end of the beta-strands and subsequent loops), suggesting that this region, where the active site is placed, is close, in terms of contacts, to the whole Sf&#946;gly structure. Moreover, we have built the Protein Structural Network of 21 beta-glucosidases of the Glucoside Hydrolases family 1, revealing that the closeness central residues are highly conserved, being located in the active site of these enzymes. On the other hand, betweeness central residues are located in the same sites in the structure of different beta-glucosidases, but they are not always conserved. Shortly, these data experimentally support the hypothesis that the residue centrality in Protein Structural Network is correlated with the protein properties, as catalysis and stability.