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Tipo: Tese
Título: Caracterização bioquímica de duas quitinases recombinantes do cajueiro (Anacardium occidentale L.) das classes IV e VI com atividade antifúngica
Título em inglês: Biochemical characterization of two recombinant chitinases from cashew (Anacardium occidentale L.) class IV and VI with antifungal activity
Autor(es): Oliveira, Simone Torres de
Orientador: Grangeiro, Thalles Barbosa
Palavras-chave: Quitinases;Anacardium occidentale;Atividade antifúngica
Data do documento: 2020
Citação: OLIVEIRA, Simone Torres de. Caracterização bioquímica de duas quitinases recombinantes do cajueiro (Anacardium occidentale L.) das classes IV e VI com atividade antifúngica. 2020. 180 f. Tese (Doutorado em Bioquímica) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Resumo: As quitinases são enzimas capazes de hidrolisar as ligações covalentes 􀈕-(1,4) entre os resíduos de N-acetil-􀈕-D-glucosamina (GlcNAc) que constituem a quitina. O polissacarídeo quitina, sendo um componente estrutural da parede celular de fungos, conduziu ao interesse pelas enzimas que degradam quitina, no sentido de desenvolver produtos antifúngicos. A presença de quitinases no cajueiro (Anacardium occidentale) foi constatada experimentalmente na goma exsudada da árvore. Além disso, transcritos que codificam quitinases da família GH1λ foram identificados no transcriptoma de sementes do cajueiro anão-precoce CCP 76 e duas dessas quitinases, AoChi4κ4λ e AoChi547β, foram selecionadas para a realização deste trabalho. Uma análise inicial das quitinases revelou uma mutação no sítio catalítico de AoChi547β, na qual um resíduo de glutamato (Glu), essencial à catálise enzimática, foi substituído por um resíduo de lisina (Lys). Dessa forma, o objetivo deste trabalho foi verificar a funcionalidade destas quitinases com relação a capacidade de degradar a quitina e investigar a atividade das proteínas recombinantes sobre patógenos fúngicos e bactérias. Análises de bioinformática e filogenéticas demostraram que AoChi4κ4λ pertence à classe I↑ das quitinases GH1λ e AoChi547β é um membro da classe ↑I. Notavelmente, todos os representantes da classe ↑I também apresentam a mutação Glu􀄺Lys no sítio catalítico. Análise de docking molecular realizada com o domínio catalítico da AoChi547β e (GlcNac)4 indicou a presença de ligações favoráveis para a catálise entre o resíduo Lys e o substrato. As quitinases recombinantes produzidas em Pichia pastoris KM71H foram purificadas, exibindo massas moleculares aparentes de γ5 e 45 kDa, respectivamente, para rAoChi4κ4λ e rAoChi547β. A identidade dessas bandas foi confirmada por espectrometria de massas, que produziu peptídeos que cobriram 41,6% e 44,β% das estruturas primárias das proteínas do cajueiro. A caracterização in vitro mostrou que a rAoChi4κ4λ apresenta atividade quitinolítica sobre quitina coloidal e quitina insolúvel, bem como a rAoChi547β, o que comprovou a funcionalidade da Lys como aminoácido catalítico e, consequentemente, a funcionalidade das quitinases. As condições ideais para a atividade enzimática foram estabelecidas em pH 5 e 6 e temperatura de γ0 e 40 °C para a rAoChi4κ4λ e rAoChi57β, respectivamente. Ambas apresentam estabilidade em relação a variação de pH, podendo retomar a conformação funcional após serem submetidas a valores de pH extremos e a temperatura de 60 °C. A atividade das quitinases é inibida completamente na presença de íons Hgβ+, de SDS, e de 􀈕-mercaptoetanol, e gradativamente na presença de EDTA, DTT e NaCl. Análises de dicroismo circular indicam a Tm de 77,γ °C para a rAoChi4κ4λ e de 5κ,01 °C para a rAoChi547β. O perfil catalítico sobre a quitina coloidal revelou a presença de GlcNAc, (GlcNAc)β, (GlcNAc)γ e (GlcNAc)4, o que indica ação endo e exoquitinásica. O ↑max determinado para a rAoChi4κ4λ foi de 64,7 nmol.min.mg-1 e para a rAoChi547β foi de γ,β nmol.min.mg-1, sendo a eficiência catalítica da rAoChi4κ4λ (4,7 nmol.mim.mg-1) 7 vezes maior que a eficiência catalítica da rAoChi547β (0,67 nmol.mim.mg-1). Atividade antifúngica sobre fungos fitopatogênicos e cepas de Candida foi apresentada pelas duas quitinases, mas nenhuma apresentou atividade antibacteriana. Análise de ME↑ da ação antifúngica da rAoChi547β sobre um isolado de Lasiodiplodia sp. evidenciou os danos causados ao micélio fúngico pela proteína, semelhante à ação do antifúngico comercial carbendazim. Com relação a atividade sobre Candida spp., análises devem ser realizadas para elucidar o efeito das quitinases. Este trabalho evidenciou um novo modo de ação das quitinases, no qual um resíduo de Lys atua como o doador de prótons na catálise. Além disso, a atividade antifúngica mostrada pelas quitinases do cajueiro, representa uma importante informação para a realização de novos estudos voltados para a aplicabilidade destas proteínas como antifúngicos.
Abstract: Chitinases are enzymes capable of hydrolyzing the 􀈕-(1,4) covalent bonds between the Nacetyl- 􀈕-D-glucosamine (GlcNAc) residues that make up chitin. The polysaccharide chitin, being a structural component of the fungal cell wall, led to an interest in enzymes that degrade chitin, in order to develop antifungal products. The presence of chitinases in the cashew tree (Anacardium occidentale) was found experimentally in the exuded gum from the tree. In addition, transcripts encoding chitinases of the GH1λ family were identified in the CCP 76 dwarf cashew seed transcriptome and two of these chitinases, AoChi4κ4λ and AoChi547β, were selected for this work. An initial analysis of chitinases revealed a mutation at its catalytic site AoChi547β, where a Glu residue, essential for enzymatic catalysis, was replaced by a Lys residue. Thus, the objective of this work was to verify the functionality of these chitinases with respect to the ability to degrade chitin and to investigate the antifungal and antibacterial activity of recombinant proteins. Bioinformatics and phylogenetic analyzes showed that AoChi4κ4λ belongs to the class I↑ of chitinase and AoChi547β to the class ↑I. Notably, all Class ↑I representatives also present Lys as a catalytic amino acid. Molecular docking analysis performed with the catalytic domain of AoChi547β and (GlcNac)4 indicated the presence of favorable connections for the catalysis between the Lys residue and the substrate. The recombinant chitinases produced in Pichia pastoris KM71H were purified with an apparent molecular weight of γ5 and 45 kDa, respectively, for rAoChi4κ4λ and rAoChi547β, which were identified by mass spectrometry with 41.6% and 44.β% coverage. The in vitro characterization showed that rAoChi4κ4λ shows chitinolytic activity on colloidal and insoluble chitins, as well as rAoChi547β, which proved the functionality of Lys as a catalytic amino acid and consequently the functionality of chitinases. The ideal conditions for enzymatic activity were established at pH 5 and 6 and temperature of γ0 and 40 °C for rAoChi4κ4λ and rAoChi57β, respectively. Both have stability in relation to the pH variation, being able to resume functional conformation after being subjected to extremes pH and a temperature of 60 °C. Chitinase activity is completely inhibited in the presence of Hgβ+ ions, SDS, and 􀈕-mercaptoethanol and gradually in the presence of EDTA, DTT and NaCl. CD analyzes indicate a Tm of 77.γ °C for rAoChi4κ4λ and 5κ.01°C for rAoChi547β. The catalytic profile on colloidal chitin revealed the presence of GlcNAc, (GlcNAc)β, (GlcNAc)γ and (GlcNAc)4 which indicates endo and exochitinase action. The ↑max presented by rAoChi4κ4λ was 64.7 nmol.min.mg-1 and by rAoChi547β of γ.β nmol.min.mg-1, with the catalytic efficiency of rAoChi4κ4λ (4.7 nmol.mL.mg-1) 7 times greater than the efficiency catalytic analysis of rAoChi547β (0.67 nmol.mim.mg-1). Antifungal activity on phytopathogenic fungi and Candida strains was shown by the two chitinases, but none showed antibacterial activity. SEM analysis of the antifungal action of rAoChi547β on an isolate of Lasiodiplodia sp. showed the damage caused to the fungal mycelium by the protein, similar to the action of the commercial antifungal carbendazim. Regarding activity against Candida spp., analyzes should be performed to elucidate the effect of chitinase. This work highlights a new mode of action of chitinases, in which a Lys residue acts as the proton donor in catalysis. In addition, the antifungal activity shown by the chitinases of the cashew tree, represents an important information for the realization of new studies focused on the applicability of these proteins as an antifungal.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/63124
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