QSAR-анализ влияния ионов металлов на активность пептидазы Вacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465

Jazyk: ukrajinština
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Innovative Biosystems and Bioengineering; Vol. 5 No. 4 (2021); 238-246
Innovative Biosystems and Bioengineering; Том 5 № 4 (2021); 238-246
ISSN: 2616-177X
Popis: Background. The catalytic activity of enzymes, which is their most important characteristic, can change significantly under the influence of effectors, for example, metal ions, and is the subject of special studies that are important for biochemistry, biotechnology, medicine, and other branches of science. Usually, the activity of enzymes in the presence of metals is assessed by the change in the rate of the enzymatic reaction. However, conducting such experimental studies, especially for new enzymes, as in the case of peptidase Bacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465, requires significant resources and extensive kinetic studies. Therefore, it is advisable to use the methods of computational chemistry, the basic task of which is to search for the structure–property relationship, to build a model that can assess the effect of metal ions on peptidase activity with a high degree of probability. Objective. We are aimed to develop QSAR models for analysis and prediction of the effect of metal ions on the activity of peptidase Bacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465. Methods. The effect of metal ions was studied by determining the proteolytic activity of peptidase after co-incubation for 30 min in 0.0167 M Tris-HCl buffer solution (pH 7.5, 37 °C). The final concentration of metal chlorides Li+; Na+; K+; Cs+; Cu2+; Be2+; Mg2+; Ca2+; Sr2+; Ba2+; Zn2+; Cd2+; Hg2+; Cr3+; Mn2+; Co2+; Ni2+ in the buffer solution was 4 mmol/dm3. To search for the quantitative structure–property relationship, we used the reference data on the properties of metal ions, as well as trend vector and random forest methods. Results. A study of the effect of metal ions on the proteolytic activity of peptidase Bacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465 showed that some metal ions (Li+, Mn2+ и Co2+) activated peptidase, while others (Cu2+, Be2+, Cd2+, Hg2+, Cr3) inhibited the enzyme activity. Adequate statistical models without classification errors and activity class prediction errors for the test set were constructed by nonlinear trend vector and random forest methods. Both models show that the most important characteristics of metal ions affecting enzyme activity are electronegativity (ENPol), the first ionization potential (IP1), the entropy of ions in aqueous solution (S), and the electron affinity energy (Eae). Conclusions. QSAR analysis methods in combination with nonlinear trend vector and random forest methods allow adequately describing the effect of metal ions on the peptidase Bacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465 activity due to descriptors reflecting a certain balance of their electron-donating and electron-accepting properties (electronegativity, the first ionization potential, the electron affinity energy) and thermodynamic properties in aqueous solution (entropy of solvation). Both statistical methods give similar values of the importance of descriptors, but only the trend vector method allows us to analyze the direction of influence of specific characteristics of ions.
Проблематика. Каталитическая активность энзимов является их важнейшей характеристикой, может существенно изменяться под влиянием эффекторов, например ионов металлов, и является предметом специальных исследований, которые важны для биохимии, биотехнологии, медицины и других отраслей науки. Обычно активность энзимов в присутствии металлов оценивают по изменению скорости ферментативной реакции. Однако проведение подобных экспериментальных исследований, особенно для новых энзимов, как в случае пептидазы Вacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465, требует значительных ресурсов и развернутых кинетических исследований. Поэтому целесообразно применение методов компьютерной химии, базовой задачей которой является поиск зависимости “структура–свойство”, для построения модели, которая сможет с высокой долей вероятности оценить влияние ионов металлов на активность пептидазы. Цель. Разработка QSAR-моделей для анализа и прогноза влияния ионов металлов на активность пептидазы Вacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465. Методика реализации. Влияние ионов металлов изучали, определяя протеолитическую активность пептидазы после совместной инкубации в течение 30 мин в 0,0167 M буферного раствора трис-HCl (рН 7,5, 37 °С). Конечная концентрация хлоридов металлов Li+; Na+; K+; Cs+; Cu2+; Be2+; Mg2+; Ca2+; Sr2+; Ba2+; Zn2+; Cd2+; Hg2+; Cr3+; Mn2+; Co2+; Ni2+ в буферном растворе составляла 4 ммоль/дм3. Для поиска количественной связи “структура–свойство” использовали справочные данные о свойствах ионов металлов и методы тренд-вектора и случайного леса. Результаты. Исследование влияния ионов металлов на протеолитическую активность пептидазы Вacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465 показало, что некоторые ионы металлов (Li+, Mn2+ и Co2+) активировали пептидазу, а другие (Cu2+, Be2+, Cd2+, Hg2+, Cr3+) ингибировали активность энзима. Нелинейными методами тренд-вектора и случайного леса построены адекватные статистические модели без ошибок классификации и ошибок прогноза класса активности для тестового набора. Обе модели показывают, что важнейшими характеристиками ионов металлов, влияющими на активность энзима, являются электроотрицательность (ENPol), первый потенциал ионизации (IP1), энтропия ионов в водном растворе (S) и энергия сродства к электрону (Eae). Выводы. Методы QSAR-анализа в совокупности с нелинейными методами тренд-вектора и случайного леса позволяют адекватно описать влияние ионов металлов на активность пептидазы Вacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465 за счет дес­крипторов, отражающих определенный баланс их электронодонорных и электроноакцепторных свойств (электроотрицательность, первый потенциал ионизации, энергия сродства к электрону) и термодинамических свойств в водном растворе (энтропия сольватации ионов). Оба статистических метода дают близкие значения важности дескрипторов, но только метод тренд-вектора позволяет проанализировать направление влияния конкретных характеристик ионов.
Проблематика. Каталітична активність ензимів, що є їх найважливішою характеристикою, може суттєво змінюватися під впливом ефекторів, наприклад іонів металів, і є предметом спеціальних досліджень, що важливі для біохімії, біотехнології, медицини та інших галузей науки. Зазвичай активність ензимів за наявності металів оцінюють за зміною швидкості ферментативної реакції. Однак проведення подібних експериментальних досліджень, особливо для нових ензимів, як у випадку з пептидазою Вacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465, потребує значних ресурсів і розгорнутих кіне­тичних досліджень. Тому доцільним є застосування методів комп’ютерної хімії, базовою задачею якої є пошук залежності “структура–властивість”, для побудови моделі, що матиме змогу з високою вірогідністю оцінити вплив іонів металів на активність пептидази. Мета. Розробка QSAR-моделей для аналізу і прогнозування впливу іонів металів на активність пептидази Вacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465. Методика реалізації. Вплив іонів металів вивчали, визначаючи протеолітичну активність пептидази після сумісної інкубації впродовж 30 хв у 0,0167 M буферного розчину трис-HCl (рН 7,5, 37 °С). Кінцева концентрація хлоридів металів Li+; Na+; K+; Cs+; Cu2+; Be2+; Mg2+; Ca2+; Sr2+; Ba2+; Zn2+; Cd2+; Hg2+; Cr3+; Mn2+; Co2+; Ni2+ у буферному розчині становила 4 ммоль/дм3. Для пошуку кількісного зв’язку “структура–властивість” використовували довідкові дані про властивості іонів металів та методи тренд-вектора і випадкового лісу. Результати. Дослідження впливу іонів металів на протеолітичну активність пептидази Вacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465 показало, що деякі іони металів (Li +, Mn2+ і Co2+) активували пептидазу, а інші (Cu2 +, Be2+, Cd2+, Hg2+, Cr3+) інгібували активність ензиму. Нелінійними методами тренд-вектора та випадкового лісу побудовано адекватні статистичні моделі без помилок класифікації та помилок прогнозу класу активності для тестового набору. Обидві моделі показують, що найважливішими характеристиками іонів металів, які мають вплив на активність ензиму, є електронегативність (ENPol), перший потенціал іонізації (IP1), ентропія іонів у водному розчині (S) та енергія спорідненості до електрона (Eae). Висновки. Методи QSAR-аналізу в сукупності з нелінійними методами тренд-вектора та випадкового лісу дають змогу адекватно описати вплив іонів металів на активність пептидази Вacillus thuringiensis var. israelensis IMV B-7465 за рахунок дескрипторів, що відображають певний баланс їхніх електронодонорних і електроноакцепторих властивостей (електронегативність, перший потенціал іонізації, енергія спорідненості до електрона) та ступінь структурованості гідратної оболонки (ентропія сольватації іонів). Обидва статистичних методи дають близькі значення важливості дескрипторів, але тільки метод тренд-вектора дає змогу проаналізувати напрям впливу конкретних характеристик іонів.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: