Annett Fengler

Modellierung der Tertiärstrukturen lysosomaler Cysteinproteasen, Charakterisierung der katalytisch aktiven Bindungszentren und strukturbasiertes Ligandendesign

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 03.05.2000

Abstract
Lysosomale Cysteinproteasen (Cathepsine) besitzen eine wesentliche Bedeutung beim Umbau zellulärer und extrazellulärer Proteine. Diese Enzyme spielen eine wichtige Rolle in pathologischen Prozessen, die mit einer Gewebedestruktion verbunden sind.
Dreidimensionale Strukturmodelle der Cysteinproteasen Cathepsin K, S, H und F wurden unter Verwendung verschiedener Verfahren des Homology Modelling auf der Grundlage der Röntgenkristallstrukturen von verwandten Enzyme, wie z. B. Cathepsin L, Papain und Actinidin generiert. Diese Strukturmodelle zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit aus und erfüllen darüber hinaus sehr gut verschiedenste Kriterien bei der Überprüfung der Strukturen. Außerdem konnte die Lage und die Konformation der Minikette, die einen wesentlichen Bestandteil von Cathepsin H bildet, ermittelt werden.
Als Ergebnis der Analysen der elektrostatischen Potentiale der molekularen Oberfläche der Cathepsine B, K, L, S, H und F und der Ermittlung bevorzugter Bindungsstellen im katalytisch aktiven Bindungszentrum dieser Enzyme wurden neue potente Liganden (Substrate und Inhibitoren) entwickelt werden. Über Dockingstudien wurden die nichtbindenden Wechselwirkungsenergien und Dissoziationskonstanten der Cathepsin-Ligand-Komplexe berechnet. Die experimentell bestimmten kinetischen Daten einiger Komplexe bestätigen die theoretisch getroffenen Vorhersagen über die Affinität der entwickelten Liganden zum jeweiligen Cathepsin.

The lysosomal cysteine proteases (cathepsin) are widely distributed among living organisms. The papain-like cathepsins have been implicated in a variety of physiological processes and their proteolytic activities may also be relevant to many human diseases.
Three-dimensional models of the cysteine proteases human cathepsins K, S, H, and F were built by homology modeling based on the crystal structures of related enzymes like cathepsin L, papain, and actinidin, for instance. The structure models were found to have good stereochemistry, and meet reasonably well various criteria for validating the overall correctness of the structures. Moreover, the position and the conformation of the minichain as an essential part of the cathepsin H could be determined.
As a result of an analysis of the electrostatic potentials on the molecular surface of the cathepsins B, L, K, S, H, and F and the determination of the favorable subsites of the active site of these enzymes new potent ligands (substrates and inhibitors) for the cysteine proteases cathepsins L, K, and F were designed. Based on docking studies the non-bonded interaction energies and the dissociation constants of the ligands with the cathepsins were calculated. The kinetic data confirm the design hypothesis about the substrate and inhibitory potency by experimental data of cathepsin ligand complexes.

Keywords:
Cathepsin, Tertiärstruktur, Molecular Modeling, strukturbasiertes Ligandendesign, Dockingstudien

cathepsin, tertiary structure, molecular modeling, structure based ligand design, docking studies

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis (I-V)
1 Einleitung (1-9)
2 Aufgabenstellung (10-11)
3 Methoden (12-31)
4 Ergebnisse und Diskussion (32-103)
5 Zusammenfassung und Ausblick (104-107)
6 Literatur (108-114)
7 Anhang (A-1 - A-15)