Структурно-химическое объяснение активности грибных лакказ

Грибные лакказы (EC 1.10.3.2) представляют собой мультимедные оксидазы, окисляющие широкий спектр субстратов. Несмотря на многочисленные исследования, молекулярные основы их разнообразной активности остаются неясными. В частности, в настоящее время отсутствует метод, позволяющий рационально предсказывать активность лакказы по отношению к определённому субстрату. Такие знания существенно способствовали бы рациональному конструированию новых лакказ для технологических применений. Мы исследовали три набора экспериментальных значений Kₘ и активности лакказ Trametes versicolor и Cerrena unicolor, используя широкий спектр методов моделирования белков. Мы выявили разнообразные способы связывания различных субстратов и подтвердили важную роль Asp-206 и His-458 (нумерация лакказы T. versicolor) в распознавании субстратов. Важно, что экспериментальные значения Kₘ коррелировали с аффинностью связывания, рассчитанной методом молекулярной механики с обобщённой борновской моделью и площадью доступной поверхности (MMGBSA). Это подтверждает распространённое предположение о том, что аффинность белок–субстрат вносит значительный вклад в наблюдаемое значение Kₘ. С помощью анализа количественных соотношений «структура–активность» (QSAR) мы выявили физико-химические свойства, коррелирующие с наблюдаемыми значениями Kₘ и активностью. В частности, ионизационный потенциал, форма и аффинность связывания субстрата в значительной степени определяют значение Kₘ фермента для конкретного субстрата. Наши результаты показывают, что Kₘ является не просто константой связывания, но также отражает особенности ферментативной активности. Кроме того, мы выявили QSAR-модели, использующие лишь несколько дескрипторов и показывающие, что фенольные субстраты используют оптимальную гидрофобную упаковку для достижения участка T1, но затем требуют дополнительных электронных свойств для участия в последующем переносе электрона. Наши результаты расширяют возможности моделирования активности лакказ и дают основания рассчитывать на рациональную оптимизацию лакказ для работы с фенольными субстратами в будущем.