Análisis estructural de los mecanismos de regulación de la actividad enzimática de la lacasa de Thermus thermophilus HB27

1. RESUMEN La enzima multicobre oxidasa de la bacteria hipertermófila Thermus thermophilus (Tth MCO), ha sido caracterizada y descrita previamente como un ejemplo de una lacasa con baja actividad catalítica, especialmente cuando se compara contra las lacasas fúngicas. Estructuralmente, la Tth-MCO tiene una característica única entre las lacasas reportadas en la base de datos Protein Data Bank (PDB): una horquilla-β adyacente a la cavidad de entrada al sitio de coordinación de cobre T1, la cual no está presente en ninguna otra lacasa depositada en el PDB. Esta horquilla-β presenta un comportamiento típico de las áreas expuestas a solvente en estructuras cristalográficas: ausencia de densidad electrónica, altos valores de factores B y diversos contactos cristalinos con los vecinos cristalográficos. Sin embargo, el comportamiento dinámico de esta horquilla-b en solución y sus implicaciones biológicas no han sido descritas. En este trabajo, se describen 12 nuevas estructuras cristalográficas de la Tth-MCO en dos grupos espaciales y tres celdas unitarias diferentes, además del comportamiento dinámico de la horquilla-b por medio de cálculos de dinámica molecular estudiando el efecto del pH y de la temperatura. Estas nuevas conformaciones cristalográficas de la horquilla-b de la Tth-MCO descritas aquí junto con su dinámica se usaron para entender el comportamiento cinético de la enzima cuando cambia el del pH en el medio, utilizando el sustrato siringaldazina. El análisis de la información estructural permitió describir dos nuevas conformaciones de la horquilla-β y un probable mecanismo de transferencia de protones, los cuales se utilizaron para explicar el comportamiento enzimático de Tth-MCO. Además, descubrimos que el inusual contenido de metioninas de la horquilla-β de Tth-MCO es responsable de coordinar a través de sus átomos Sd, iones de Ag+1 y Hg+ 1 cuando se encuentra en condiciones oxidativas. Sin embargo, independientemente de las condiciones redox probadas, no fue posible coordinar iones Cu+1 y Cu+2. X En el presente trabajo, proponemos que la baja actividad de lacasa que muestra la Tth-MCO es el resultado de un mecanismo de transferencia de protones de múltiples pasos, junto con una conformación de la horquilla-β dependiente del pH que al modificar el tamaño de la cavidad de entrada a el sitio T1Cu modula la actividad catalítica de la enzima. Por otra parte, incluso con la falta de información estructural, el mecanismo de transferencia de protones de múltiples pasos parece estar presente en diversas lacasas bacterianas, mientras que la existencia de la horquilla β es típica en las lacasas de los géneros Thermus y Meiothermus.

1. ABSTRACT The multi-copper oxidase enzyme from the hyper-thermophilic bacterium Thermus thermophilus (Tth-MCO) has been previously characterized and described as an example of a laccase with low catalytic activity, especially when compared against the catalytic activity of fungal laccases. Structurally, Tth-MCO has a unique characteristic among the laccases reported in the data base Protein Data Bank (PDB): a β-hairpin adjacent to the T1Cu site, which is not present in any other laccase deposited in the PDB. This β-hairpin shows a common behavior of areas exposed to solvent in crystallographic structures, absence of electron density, high values of B-factor and diverse crystalline contacts with crystallographic neighbors. However, the dynamic behavior of this b-hairpin in solution and its biological implications have not been described. In this work, 12 new crystallographic structures of Tth-MCO in two space groups and three different unit cells and the dynamic behavior of the b-hairpin are described by means of molecular dynamics calculations studying the effect of pH and temperature. These new crystallographic conformations of the b-hairpin of Tth-MCO described here along with their molecular dynamics were used to understand the kinetic restrictions of the enzyme caused by the pH values in the medium when studying the enzymatic kinetics of Tth-MCO. against syringaldazine substrate. The analysis of the structural information will send out two different new conformations of the β-hairpin and a probable proton transfer mechanism, which were used to explain the enzymatic behavior of Tth-MCO. Furthermore, we discovered that the unusual methionine content of the β-hairpin of Tth-MCO is responsible for coordinating through its Sd atoms, Ag+1 and Hg+1 ions when under oxidative conditions, however, regardless of the redox conditions tested, it was not possible to coordinate Cu+1 and Cu+2. XII In the present work, we propose that the low laccase activity shown by Tth-MCO is the consequence of a multi-step proton transmission mechanism, together with a pH-dependent β hairpin conformation that modifies the size from the entrance cavity to the T1Cu site modulates the catalytic activity of the enzyme. On the other hand, even with the lack of structural information, the multi-step proton transmission mechanism appears to be extensible to most bacterial laccases, while the existence of the β-hairpin is typical in laccases of the genera Thermus and Meiothermus.