Milena Mladenovic

• Although known about and investigated since the late 1970’s, the picture of the basic principles governing inhibitor strengths and the structure-activity relationships of the cysteine protease inhibition mechanism is still very incomplete. Computational approaches can be a very useful tool for investigating such questions, as they allow the inspection of single, specific effects in isolation from all others, in a manner very difficult to achieve experimentally. The ab initio treatments of such large systems like proteins are still not feasible.Although known about and investigated since the late 1970’s, the picture of the basic principles governing inhibitor strengths and the structure-activity relationships of the cysteine protease inhibition mechanism is still very incomplete. Computational approaches can be a very useful tool for investigating such questions, as they allow the inspection of single, specific effects in isolation from all others, in a manner very difficult to achieve experimentally. The ab initio treatments of such large systems like proteins are still not feasible. However, there is a vast number of computational approaches capable of dealing with protein structures with reasonable accuracy. This work presents a summary of theoretical investigations into cysteine protease cathepsin B using a range of methods. We have concentrated on the investigation of cysteine protease inhibition by epoxide- and aziridine-based inhibitors in order to obtain better insight into these important topics. Various model systems are simulated by means of pure quantum mechanical methods and by hybrid (QM/MM) methods. Both approaches provide a static picture. Dynamical effects are then accounted for by additional molecular dynamics (MD) simulations, using both classical and QM/MM MD approaches. The quantum mechanical approach was used to study very small model systems consisting only of the electrophilic warhead of the inhibitor (both substitituted and not) and molecular moieties simulating a very simplified protein active site (methylthiolate instead of Cys29 and methylimidazolium instead of His199 residue) and solvent surroundings (two waters or two ammonium ions, in combination with a continuum solvent model). Although simple, such a system provides a good description of the most important interactions involved in the inhibition reaction. It also allows investigation of the influence of the properties of the electrophilic warhead on the reaction rate. Beside the properties of the electrophilic warhead, the protein and solvent environment is also an important factor in the irreversible deactivation of the enzyme active site by the inhibitor. The non-covalent interactions of the inhibitor with the oxyanion hole and other subsites of the enzyme, as well as its interaction with the solvent molecules, need to be explicitly taken into account in the calculations, because of their possible impact on the reaction profile. As molecular modeling methods allow the treatment of such large systems, but lack the possibility of describing covalent interactions, our method of choice was the combined quantum mechanics/molecular modeling approach. By splitting the system into a smaller part that undergoes the bond cleavage/formation process and must be treated quantum mechanically, and a larger part, comprised of the rest of the protein, which could be treated using force fields, we managed to simulate the system at the desired precision. Our investigations concentrated on the role of His199 in the inhibition mechanism as well as on the structure-reactivity relationships between cysteine protease and various inhibitors, yielding new insight into the kinetics, regio- and stereospecificity of the inhibition. In particular, our calculations provide the following insights: i.) an explanation for the regioselectivity of the reaction, and original insight into which interactions affect the stereoselectivity; ii.) a clear model which explains the known structure-activity relationships and connects these effects with the pH-dependency of the inhibition; iii.) our computations question the generally accepted two-step model by showing that substituent effects accelerate the irreversible step to such an extent that the achievement of an equilibrium in the first step is doubtful; iv.) by way of theoretical characterizations of aziridine models, the reasons for similarities and differences in the mode of action of epoxide- and aziridine-based inhibitors are elucidated; and finally, v.) combining our results with experimental knowledge will allow rational design of new inhibitors. To account for dynamical effects as well, molecular dynamics (MD) computations were also performed. In these calculations the potential energy was computed at the force field level. The results not only supported and clarified the QM/MM results, but comparison with previous X-ray structures helped correct existing errors in the available geometrical models and resolved inconsistencies in the weighting of various factors governing the inhibition. In the work the first QM/MM MD calculations on the active site of the cysteine proteases are presented. In contrast to the MD simulations, these calculations used potential energies computed at the QM/MM-level. With the help of these computations we sought to address strongly disputed questions about the reasons for the existence of the active site ion pair and its role in the high activity of the enzyme.…
• Obwohl bereits seit den späten 70ern bekannt und untersucht, ist das Bild über die grundsätzlichen Prinzipien, welche die Wirksamkeit der Inhibition und die Struktur-Aktivitäts-Beziehungen (SAB) der Cysteinprotease-Hemmmechanismen beeinflussen, immer noch sehr unvollständig. In dieser Arbeit wurden quantenmechanische (QM), molekulardynamische (MD) und gemischte quantenmechanische/molekularmechanische (QM/MM) Berechnungen durchgeführt, um die irreversible Inaktivierung des Enzyms durch den Inhibitor, zu untersuchen. Die Stärke vonObwohl bereits seit den späten 70ern bekannt und untersucht, ist das Bild über die grundsätzlichen Prinzipien, welche die Wirksamkeit der Inhibition und die Struktur-Aktivitäts-Beziehungen (SAB) der Cysteinprotease-Hemmmechanismen beeinflussen, immer noch sehr unvollständig. In dieser Arbeit wurden quantenmechanische (QM), molekulardynamische (MD) und gemischte quantenmechanische/molekularmechanische (QM/MM) Berechnungen durchgeführt, um die irreversible Inaktivierung des Enzyms durch den Inhibitor, zu untersuchen. Die Stärke von computergestützten Verfahren liegt in der Möglichkeit, den Einfluss einzelner spezifischer Effekte durch das Ausblenden von Umgebungseffekten zu untersuchen. Diese Herangehensweise ist nur sehr schwer im Experiment zu erreichen. Die quantenmechanische Methode wurde benutzt, um sehr kleine Modellsysteme zu untersuchen, welche lediglich aus dem elektrophilen Kerngerüst des Inhibitors und einigen, das aktive Zentrum im Protein vereinfachend darstellenden, Molekülen bestanden. Die Solvensumgebung wurde durch zwei explizite Wassermoleküle und zwei Ammoniumionen in Kombination mit einem Kontinuum-Solvensmodell berücksichtigt. Ein solches vereinfachtes System liefert bereits eine gute Beschreibung der meisten wichtigen Wechselwirkungen während der Inhibierungsreaktion. Es erlaubt die Untersuchung des Einflusses der Eigenschaften des elektrophilen „Warheads“ auf den Reaktionsverlauf. Neben den Eigenschaften des elektrophilen „Warheads“ ist sowohl die Protein- als auch die Solvensumgebung von großer Bedeutung für die irreversible Deaktivierung des aktiven Zentrums des Enzyms durch den Inhibitor. Aufgrund eines möglichen Einflusses auf das Reaktionsprofil müssen Solvensmoleküle sowie die nicht-kovalenten Wechselwirkungen des Inhibitors mit dem Oxyanionloch und anderen Nebenbindungstellen des Enzyms explizit behandelt werden. Berücksichtigt man, dass nur molekularmechanische Methoden eine Behandlung von solch großen Systeme erlauben, im Gegenzug aber nicht in der Lage sind, kovalente Wechselwirkungen zu beschreiben, so wurde als Methode der Wahl ein kombinierter QM/MM Ansatz gewählt. Durch das Aufteilen des Gesamtsystems in einen kleinen Bereich, der die Bindungsspaltung- und Bindungsbildungsreaktionen beinhaltet (mit QM behandelt), und in einen großen Teil, welcher den Rest des Proteins umfasst (mit MM behandelt), waren wir in der Lage, das System mit gewünschter Genauigkeit zu simulieren. In den Kapiteln 3.2.2 bis 3.2.4 werden die Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen (SRB) zwischen der Cysteinprotease und verschiedenen Inhibitoren vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die SRB eine entscheidende Rolle in Kinetik, Regio- und Stereoselektivität der Inhibierung spielen. Um auch die dynamischen Effekte im Anspruch zu nehmen, wurden klassische molekulardynamische (MD) Simulationen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Berechnungen haben nicht nur unterstützt und die QM/MM Ergebnisse näher erklärt, sondern auch durch der Vergleich mit bereits bestehenden Röntgenstrukturen verschiedener Cysteineprotease-Inhibitor-Komplexen geholfen, Fehler in vorhandenen Proteinkristallstrukturen zu korrigieren. Somit wurden Widersprüche in der Bewertung verschiedener Funktionen, die die Inhibierungsreaktion bestimmen, aufgelöst (Kapitel 3.2.5). In der Arbeit werden auch die ersten QM/MM MD Berechnungen vom aktiven Zentrum der Cysteineprotease vorgestellt. Im Kontrast zu den klassischen MD Simulationen, wird in diesen Untersuchungen die potentielle Energie auf dem QM/MM Theorieniveau berechnet. Hier haben wir versucht die stark umstrittene Frage über die Gründe für das Vorhandensein des aktiven Zentrums als His199+/Cys29- Ion-paar und seine Rolle für die hohe Aktivität des Enzyms zu beantworten.…