Estudios computacionales de la interacción proteína-ligando en el sistema CDK2/Ciclina A

Abstract

En esta tesis se presentan varias aproximaciones computacionales aplicadas al estudio de las interacciones proteína-ligando en el sistema enzimático CDK2/Ciclina A (Cyclin Dependent Kinase 2/Cyclin A). Los métodos computacionales utilizados están dirigidos a estudiar la afinidad, por el sitio activo del ATP (Adenosin Trifosfato) en la CDK2, de un grupo de moléculas derivadas de las O6-ciclo-hexil-metil-purinas N2-sustituidas. Primero, por medio de cálculos realizados con el método ONIOM (Our own N-layered Integrated molecular Orbital and Molecular mechanics), se han logrado caracterizar energéticamente dos de las tres interacciones de puente de hidrógeno, de un grupo de inhibidores, con la región bisagra de la CDK2. Se discute principalmente la influencia de la geometría de los puentes de hidrógeno en las energías obtenidas y se comparan los resultados obtenidos con el método ONIOM con resultados obtenidos con niveles de cálculo MP2 en los mismos modelos. Luego, la afinidad de un grupo de moléculas de la misma familia se trata de explicar utilizando un descriptor obtenido con los métodos de cálculo híbridos QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics). Por medio de éste método se logró obtener un descriptor de las interacciones de cada inhibidor dentro del sitio activo de la CDK2 y que puede ser utilizado como un índice de la actividad biológica, al menos dentro del grupo de moléculas estudiadas que pertenecen a una misma clase. A partir de las estructuras obtenidas de las dinámicas moleculares ha sido posible caracterizar interacciones de puente de hidrógeno entre algunos de los inhibidores y los aminoácidos de la “superficie especifica” de la CDK2, que antes no habían sido reportadas. Una partición de la energía de interacción en sus componentes de van der Waals y electrostática, permite discutir más detalladamente la importancia de cada componente en la interacción proteína-ligando. Finalmente, con la obtención de estructuras de mínima energía a partir de los cálculos QM/MM y con la construcción de modelos más completos a partir de estas, pudimos aplicar los índices de blandura local y regional en la interacción de cada inhibidor con la región bisagra, los cuales fueron obtenidos con dos aproximaciones diferentes (orbitales moleculares frontera y la densidad de estados), y estos ayudan a clasificar las interacciones de los inhibidores con la región bisagra dentro del principio de ácidos y bases duras y blandas (HSBA). Se espera que estás metodologías puedan ser mejoradas y aplicadas a la interacción proteína-ligando en otros sistemas biológicos de interés en la química medicinal actual.

Some computational approaches to deal with the description of the protein-ligand interactions in the CDK2/Cyclin A (Cyclin Dependent Kinase 2/Cyclin A) are presented. We specifically focus our study on the affinity, for the ATP active site in the CDK2, displayed by a series of derivatives of the N2-substituted O6-cyclo-hexil-methyl-purines. We first performed calculations using the ONIOM method (Our own N-layered Integrated molecular Orbital and Molecular Mechanics). Three of the two most common H-bond interactions have been characterized between a group of inhibitors and the hinge region of CDK2 at this level of theory. The results including the geometry and energetic of the hydrogen bonds compare well with more the accurate MP2 calculations. The affinity of a subset of compounds belonging to the same group of inhibitors was evaluated using the more accurate QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics) hybrid method. This methodology provides a more complete description of the protein-ligand interaction and it can be used as a good descriptor of the biological activity. Specifically, we have found new hydrogen bond interactions between the inhibitor and the “specific surface” of CDK2. The minimal energy structures obtained from QM/MM studies were used as input structures for the evaluation of reactivity index derived from the density of states approximation. The global softness and the electrophilicity indexes yield correlations against the biological activity that, are statistically significant.