Estudio del mecanismo de reacción e inhibición de cisteína proteasas mediante métodos multiescala

Resumen

En esta tesis doctoral se realizaron estudios computacionales para las enzimas caspasa-1 y la 3CLpro del SARS-CoV-2. Estas enzimas pertenecen a la familia de las cisteína proteasas, las cuales hidrolizan sus respectivos sustratos rompiendo un enlace peptídico en particular. En esta reacción interviene una diada catalítica conformada por un par Cis-His. La caspasa-1 fue seleccionada debido a su importancia farmacológica en la enfermedad de Alzheimer, y la enzima 3CLpro del SARS-CoV-2 por estar involucrada en el proceso de replicación del virus responsable de la enfermedad del COVID-19. Para ambas se realizaron estudios que ayudaron a racionalizar el mecanismo de reacción con su sustrato natural utilizando m todos QM/MM. También se realizaron estudios de una serie de inhibidores enzimáticos covalentes identificando las interacciones clave enzima-sustrato que ayudar n a mejorar el desempeño de los inhibidores frente a sus respectivas enzimas. El mecanismo de reacción encontrado para la enzima caspasa-1 ocurre por una ruta alternativa al mecanismo estándar de este tipo de enzimas. En el mecanismo encontrado en nuestras simulaciones la cisteína catalítica se activa directamente por el grupo amino de su sustrato natural, lo que facilita el posterior ataque nucleofílico del azufre al carbonilo y la ruptura del enlace peptídico. En este estudio se determinó que el estado de protonación de la dada catalítica que mejor correlaciona con los resultados experimentales es aquel en el que ambos residuos están neutros, encontrándose el protón de la histidina sobre el nitrógeno delta. También se determina que los inhibidores más potentes para la caspasa-1 son aquellos que, presentan mejores interacciones con los residuos His342, Pro343 and Arg383, adicionalmente a las interacciones ya bien caracterizadas para la estabilización del oxianión formado durante la reacción. En el caso de la 3CLpro del SARSCoV-2, los resultados apuntan a que la dada catalítica en el complejo de Michaelis se encuentra en estado neutro, siendo necesaria la activación de la cisteína por parte de la histidina catalítica para que la reacción proceda. Posteriormente el grupo amino del sustrato abstrae el protón de la histidina mientras se da el ataque nucleofílico del azufre de la cisteína sobre el carbono del carbonilo del enlace peptídico. Para la etapa de de-acilación se describió un mecanismo de reacción alternativo, en donde el grupo amino del grupo saliente desprotona la molécula de agua que posteriormente va a hidrolizar el complejo acil-enzima. En cuanto a la inhibición enzimática, se encontró un mecanismo de intercambio de protones mediado por una molécula de agua, o un grupo hidroxilo. Los hallazgos de esta tesis doctoral abren la puerta para el desarrollo de potentes inhibidores para las dos enzimas involucradas en este estudio, esperando así contribuir al desarrollo de medicamentos que ayuden a tratar las enfermedades en las que se encuentran involucradas.