Estudio computacional de reacciones organocatalíticas e interacciones de macrólidos-proteínas del citoesqueleto

Abstract

El siguiente trabajo recopila los resultados conseguidos durante el transcurso del periodo Doctoral, el cual se divide en dos secciones: la primera sección aborda distintos estudios sobre reacciones organocatalíticas, basados en la estabilidad termodinámica relativa de sus principales intermedios de reacción, calculada mediante métodos ab initio y DFT; la segunda sección corresponde a estudios de interacciones de macrociclos naturales con sus respectivas dianas terapéuticas mediante simulaciones computacionales.

La primera sección está constituida por tres artículos, en el cual el primero analizamos sobre las bondades de distintos métodos DFT, especialmente con el popular método híbrido B3LYP para describir ciertas reacciones isodésmicas, pero también de sus desventajas y de los posibles errores que pueden derivar en el momento de calcular las energías relativas para cada caso. Por otro lado, elaboramos una serie de simulaciones de reacciones de intercambio de enaminas –experimentales e hipotéticas– con el objetivo de relacionar los cálculos con los resultados experimentales. Por último, se realizó un estudio computacional de intercambio entre especies iónicas (iones de tipo pirrolidinio) y cetonas, en condiciones totalmente anhidras y en ausencia de catalizadores en el que se discuten los probables mecanismos de reacción sobre reacciones de intercambio que se acaban de mencionar. La búsqueda de los estados de transición más plausibles se llevó a cabo usando distintos niveles de teoría (DFT y MP2). Este trabajo fue una colaboración con el Prof. D. Seebach, autor principal del grupo de ETH responsable de los resultados experimentales.

En la segunda sección de esta Tesis abordamos estudios computacionales ligados al uso de métodos de mecánica molecular para investigar sistemas biológicos macromoleculares. Dicha sección se compone de dos artículos publicados, donde el primero se evaluó las bondades de diversos programas de docking molecular con diferentes métodos de puntuación (scoring) para estimar la energía de afinidad entre ligando macrocíclicos y su receptor. Para ello, se generaron diversos confórmeros para cada ligando y se evaluó la fiabilidad de la conformación bioactiva esperada y la pose cristalográfica preferida, mediante los programas de docking que se disponían en nuestro grupo de investigación. Con toda esta información, el segundo artículo de esta sección intentamos explicar cómo dos productos naturales macrocíclicos, tan distintos entre sí, como laulimalida y pelorusida pueden ejercer el mismo efecto estabilizador del microtúbulo. Para ello, se ha investigado la relación que existe entre la afinidad de ambos productos naturales por su sitio de unión, mediante docking y dinámica molecular (MD). Asimismo, por medio de estudios de metadinámica, hemos analizado la superficie de energía potencial de las distintas conformaciones de estos compuestos al interaccionar con una zona específica de la tubulina, conocida como M-loop.

El conocimiento adquirido sobre simulación de ligandos macrocíclicos con sus respectivos receptores, a lo largo de la segunda sección, ha podido aplicarse a un caso de nuestro interés que son las anfidinolidas B/H (macrólidos de gran tamaño de origen marino con actividad citotóxica y activas en ciertas células tumorales) con otra proteína del citoesqueleto, los filamentos de actina (F-actina). Hay que indicar, además, que no existe todavía ningún fármaco antitumoral cuyo target sea la F-actina, que es un objetivo a largo plazo del grupo. Este estudio se llevó a cabo con estructuras de anfidinolidas y filamento de actina, se analizó las distintas conformaciones que puede adoptar estas anfidinolidas mediante docking y dinámica molecular con esta proteína, con el fin de conocer cómo ejerce su efecto estabilizador de F-actina. Estos resultados preliminares demostraron que las anfidinolidas generan ciertas restricciones conformacionales en algunas zonas de esta proteína lo que explicaría a su efecto estabilizador de filamento de actina.

This Ph. D. Thesis is divided into two sections. The first section describes various studies on organocatalytic reactions, based on the relative thermodynamic stability of the main reaction intermediates, calculated by ab initio methods and density functional theory (DFT). We discuss the benefits of this method to describe certain isodesmic reactions, but also about their disadvantages and the possible errors that can be derived when calculating the relative energies for each case. At the same time, our interest is focused on understanding the organocatalytic reactions studied in our laboratory. Thus, we simulate a series of exchange reactions of enamines, both experimental and hypothetical, in order to compare the calculations with the experimental results. Finally, we discuss the probable reaction mechanisms of the exchange reactions. To this end, we perform a computational study of an exchange between an ionic species (i.e. pyrrolidinium) and various ketones, under totally anhydrous conditions and in the absence of catalysts.

The second section of this Thesis studies the interactions of natural macrocycles with their respective therapeutic targets. We discuss the simulation methods of multiple computational studies and compare several molecular docking programs. Each of these programs is used to calculate the affinity energy between ligand and receptor, and the results are evaluated in comparison with experiment. With this information, we try to explain how two natural products which appear so different from each other, i.e. laulimalide and peloruside, can exert the same stabilizing effect on the microtubule. To this end, we examine the affinity of both natural products with their common binding site, by means of docking and molecular dynamics (MD). Also, through metadynamic studies, we analyze the potential energy surface of the different conformations of these compounds when interacting with a specific zone of tubulin, known as the M-loop, which is involved in the stabilization of tubulin.

Finally, we investigate, via molecular simulation and docking, the possible interaction between amphidinolides. The amphidinolides are macrolides of marine origin that show strong cytotoxicity. Some of these compounds have been shown to interact with actin. In order to understand the stabilizing effect of this molecules, we study the different conformations they adopt in the actin filament. These preliminary results show that amphidinolides generate certain conformational restrictions in some areas of this protein, which lead to the stabilization of F-actin.