TY  - THES
A1  - Lee, Wook
T1  - Computational study on the catalytic mechanism of mtKasA
T1  - Theoretische Untersuchungen des katalytischen Mechanismus von mtKasA
N2  - Das Enzym KasA spielt eine entscheidende Rolle in der Biosynthese von Mykolsäuren, den Bausteinen der Zellwände von Mycobacteriumtuberculosis. Dessen essentielle Notwendigkeit zeigt sich bei Abwesenheit von KasA in einer Zelllyse (Auflösung von Zellen) bei Mycobacteriumtuberculosis. Durch seine Bedeutung für Mycobacteriumtuberculosis, dem Erreger von Tuberkulose und damit der zweithäufigsten Todesursache durch Infektionskrankheiten, stellt KasA ein vielversprechendes Ziel für die Entwicklung neuer Medikamente gegen Tuberkulose dar. Durch das Auftreten von extensiv resistenten Stämmen welche die meisten bekannten Antibiotika zur Bekämpfung von Tuberkulose inaktivieren wird es dringend notwendig neue Medikamente gegen Tuberkulose zu entwickeln. In Kapitel 3.1 wird der Protonierungszustand der katalytischen Reste im Ruhezustand untersucht. Für diese Untersuchungen wurden Free Energy Perturbation (FEP) Rechnungen und MD Simulationen verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass der zwitterionische Zustand am wahrscheinlichsten ist. Um diese Aussage mit weiteren handfesten Daten zu untermauern wurden Potential(hyper)flächen (PES) für den Protonentransfer zwischen neutralen und zwitterionischen Zustand mit Hilfe von QM/MM Methoden berechnet. Durch die starke Abhängigkeit der QM/MM Optimierung von der Ausgangsstruktur war es nicht möglich konsistente Ergebnisse für diese Berechnungen zu bekommen. Um dieses Problem zu umgehen wurde ein auf QM/MM basierendes Umbrella Sampling mit Semiempirischen Methoden (RM1) durchgeführt. Die sich daraus ergebende PMF Fläche zeigt das der zwitterionische Zustand stabiler ist als der neutrale Zustand. In Kapitel 3.2 wurde der Protonierungszustand der entsprechenden Reste im Acyl-Enzym Zustand untersucht. Im Unterschied zu anderen katalytischen Resten ist der Protonierungszustand von His311 ist nicht eindeutig im Acyl-Enzym Zustand und es ergeben sich aus den verschiedenen Protonierungszuständen verschiedene Decarboxylierungsmechanismen. Um den wahrscheinlichsten Protonierungszustand bezüglich der freien Energie zu bestimmen wurden FEP Rechnungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der pKa Wert an Nδ beträchtlich durch die Enzymumgebung verringert wird, während dies für Nε nicht der Fall ist. Zusätzlich dazu wurden die PMF Profile für den Protonentransfer zwischen Lys340 und Glu354 mit der QM/MM basierten Umbrella Sampling Methode berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lys340/Glu354 Paar eher neutral als ionisch ist, wenn His311 an Nε protoniert ist. Ein relativ hoher ionischer Charakter des Lys340/Glu354 Paares, wenn His311 doppelt protoniert ist, gibt einen wertvollen Einblick in die Rolle welche das Lys340/Glu354 Paar beim verschieben des Protonierungszustandes von Nδ zu Nε im His311 nach dem Acyltransferschritt spielt. Die Ergebnisse zeigen, dass His311 neutral und an Nε protoniert ist. Ebenso ist das Lys340/Glu354 Paar neutral im Acyl-Enzym Zustand. Diese berechneten Ergebnisse führen zu dem Schluss, dass die Decarboxylierung durch ein Oxyanion Loch erleichtert wird welches aus zwei katalytischen Histidin Resten besteht. In Kapitel 3.3 wurde der Protonierungszustand der katalytischen Reste im Ruhezustand erneut untersucht da eine aktuelle Benchmarkstudie zeigte, dass die verwendete Semiempirische Methode (RM1) in Kapitel 3.1 dazu tendiert die Stabilisation des zwitterionischen Zustandes zu überschätzen. Auch wurde in Kapitel 3.1 das Lys340/Glu354 Paar als rein ionisch angesehen, während sich in Kapitel 3.2 herausstellte, dass es sich um eine Mischung aus neutralen und ionischen Charakter handelt. Die neuen Untersuchungen beinhalten eine größere QM Region inklusive des Lys340/Glu354 Paares. Der dafür verwendete BLYP/6-31G** Ansatz ist ausreichend akkurat für die aktuelle Fragestellung, was durch Vergleichsrechnungen bewiesen wurde. Die neuen Ergebnisse der QM/MM MD und FEP Rechnungen deuten an, dass die katalytischen Reste im Ruhezustand höchst wahrscheinlich neutral vorliegen. Dies wiederum führt zu der Frage wie KasA aktiviert werden kann um die katalytische Reaktion zu initiieren. Auf der Basis der Ergebnisse der MD Simulationen und FEP Rechnungen für den His311Ala Mutanten in Kapitel 3.1 stellten wir die Hypothese auf, dass die offene Konformation von Phe404 die Aktivierung der katalytischen Reste durch die (Aus)bildung einer starken Wasserstoffbindung einleitet. Die QM/MM MD Simulation bestätigt dass diese Aktivierung der katalytischen Reste durch die offene Konformation des Phe404 bewerkstelligt werden kann. Das entsprechende auf Kraftfeld basierende PMF Profil zeigt auch, dass dieser Konformationswechsel energetisch realisierbar ist. Die Verteilung der hydrophilen und hydrophoben Reste in der Malonyl Bindungstasche in Verbindung mit unseren berechneten Ergebnissen geben einen Einblick in den detaillierten
N2  - KasA is a key enzyme which plays an essential part in the biosynthetic pathway of mycolic acids, the building block of cell wall in Mycobacterium tuberculosis. Its importance was demonstrated by the finding that the depletion of KasA leads to the cell lysis of Mycobacterium tuberculosis. Since Mycobacterium tuberculosis is a pathogen of tuberculosis, the second leading cause of death from an infectious disease worldwide, KasA has drawn attention as one of the attractive drug targets against tuberculosis. Due to the emergence of extensively drug-resistant strains which make most of the known antibiotics for treating tuberculosis ineffective, it became an urgent issue to develop new drugs against tuberculosis. In chapter 3.1, the protonation state of the catalytic residues in the resting state was mainly addressed. The FEP computation and MD simulations were employed for this investigation, and the results showed that the zwitterionic state is most probable. To underpin this conclusion with more solid data, The PESs for the proton transfer between the neutral and zwitterionic state were computed in the context of QM/MM. However, due to the strong dependency of the QM/MM optimization on the initial structure, it was not possible to obtain consistent results from these computations. To circumvent this problem, QM/MM based umbrella sampling was carried out with a semi-empirical method (RM1), and the resulting PMF surface indicated that the zwitterionic state is more stable than the neutral state. In chapter 3.2, the protonation state of significant residues in the acyl-enzyme state was investigated. Unlike other catalytic residues, the protonation state of His311 is ambiguous in the acyl-enzyme state, and different decarboxylation mechanisms can be derived depending on the protonation state of His311 in the acyl-enzyme state. Therefore, FEP computations were carried out to find most probable protonation state of His311 in terms of free energy, and the results showed that the pKa value at Nδ is considerably lowered by the enzyme environment while that of Nε is not. Additionally, the PMF profiles for the proton transfer between Lys340 and Glu354 were computed using QM/MM based umbrellas sampling method, and the results showed that the property of the Lys340/Glu354 pair is neutral rather than ionic when His311 is protonated at Nε. Moreover, a relatively larger ionic character of the Lys340/Glu354 pair when His311 is doubly protonated provides a valuable insight into how the Lys340/Glu354 pair plays a role in shifting the protonated state from Nδ to Nε in His311 after the acyl-transfer step. Overall, the results demonstrated that His311 is neutral and protonated at Nε, and the Lys340/Glu354 pair is also neutral in the acyl-enzyme state. Those computational results lead to the conclusion that the decarboxylation reaction is facilitated by an oxyanion hole which is comprised of two catalytic histidines. In chapter 3.3, the protonation state of catalytic residues in the resting state was revisited because a recent benchmark study showed that the employed semi-empirical method (RM1) in chapter 3.1 tends to overestimate the stabilization of the zwitterionic state. Furthermore, the Lys340/Glu354 pair was considered as purely ionic in chapter 3.1, while it actually has a mixed neutral and ionic character as demonstrated in chapter 3.2. The new investigations employed a larger QM region including the Lys340/Glu354 pair with the BLYP/6-31G** approach, which was proven to be accurate enough for the present purpose by benchmark computations. The new results from the QM/MM MD and FEP computations indicated the catalytic residues to be neutral most probably in the resting state, and this in turn brought up the question how KasA can be activated to initiate the catalytic reaction. On the basis of the results from the MD simulations and FEP computations for the His311Ala mutant in chapter 3.1, we hypothesized that the open conformation of Phe404 would trigger the activation of the catalytic residues by the formation of a strong hydrogen bond. The QM/MM MD simulation proved that the activation of the catalytic residues can indeed be accomplished by the open conformation of Phe404 we suggested, and the corresponding force field based PMF profile also indicated that this conformational change is energetically feasible. The distribution of hydrophilic and hydrophobic residues in the malonyl binding pocket in conjunction with our computational results further provided a valuable insight into the detailed process how the catalytic residues is activated upon the substrate entering.
KW  - Tuberkelbakterium
KW  - KasA
KW  - katalytischer Mechanismus
KW  - QM/MM
KW  - Molekular Dynamik
KW  - KasA
KW  - catalytic mechanism
KW  - QM/MM
KW  - Molecular dynamics
KW  - Enzymkatalyse
KW  - Enzym
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-83989
ER  - 
TY  - THES
A1  - Diwischek, Florian
T1  - Development of synthesis pathways and characterization of cerulenin analogues as inhibitors of the fatty acid biosynthesis of Mycobacterium tuberculosis and of efflux pump resistant Candida albicans
T1  - Entwicklung von Synthesewegen und Charakterisierung von Ceruleninanaloga als Inhibitoren der Fettsäuresynthese von Mycobacterium tuberculosis und Effluxpumpen-resistentem Candida albicans
N2  - The work deals with the synthesis and characterization of cerulenin analogues as inhibitors of efflux pump mediated resistance of Candida albicans isolates and as inhibitors of the fatty acid synthesis enzyme KasA of Mycobacterium tuberculosis. Cerulenin was chosen as the lead structure, being a substrate of the efflux pumps in Candida albicans on one hand and therefore variations on the structure could lead to a blocking of the efflux pumps as in the case of tetracycline and inhibitor 13-CPTC of the TetB efflux pump. On the other hand, cerulenin is a known inhibitor of the FAS system but inhibition is unselective in type I and II FAS. Therefore, analogues could result in increased selectivity towards the type II FAS system in M. tuberculosis. The first cerulenin derivatives were prepared by coupling 2,3-dihydrofuran to the before synthesized 1-octaniodide, followed by ring opening and oxidation in one step by chromic acid and transfer of the resulting 4-keto acid to amides to give analogues 4a-d, 4e was prepared in analogy. To include the epoxide function especially with regard to the mechanism of action of cerulenin in the FAS system (considering known crystal structures of cerulenin and the KasA analogue of E. coli) tetrahydro- and dihydrocerulenin analogues were synthesized. Starting from the corresponding aldehyde, lactone 5 (tetrahydrocerulenin analogues) was obtained via two different routes A and B. Route A included the coupling of the aldehyde 1-nonanal to propiolic acid via a Grignard reaction with subsequent hydrogenation with the Lindlar catalyst under hydrogen pressure to give 5. Via Route B 1-nonanal was coupled to methyl propiolate by n-BuLi with subsequent hydrogenation under reflux with the catalytic system Lindlar cat./NH4HCO2 to yield 5. These hydrogenations were also executed in a microwave oven resulting in better yields and/or reaction times. The lactone 5 was then epoxidized, the ring opened by amidation and the remaining alcohol was oxidized via Collins oxidation to result in tetrahydrocerulenin analogues 8a-e. The same procedure was used for dihydrocerulenin analogues 10a-c except that to obtain the corresponding lactone 9a only route A was used and a further step had to be executed for ring closure. To obtain analogues with all structural features of cerulenin including two double bonds and the epoxide function, a third pathway was chosen. To obtain the future side chain, aldehyde 12 was synthesized by coupling protected 4-pentyn-1-ol to either crotyl bromide or crotyl chloride, which then was deprotected, hydrogenated with Lindlar catalyst under hydrogen pressure and oxidized via a Swern oxidation. The following synthesis sequence starting from 12 was executed similar to that of dihydrocerulenins via the corresponding lactone (51) with the major exception of the oxidation procedure in the last step via TPAP/NMO to result in (4Z,7E)-cerulenin analogues 15a-b. A fourth class of cerulenin analogues was synthesized with the aromatic analogues 17a-e. This synthesis pathway started with the formation of the benzoyl acrylamides 16a-e from benzoylacrylic acid via a mixed anhydride which was prepared with isobutylchloroformate followed by the addition of the corresponding amine. Subsequent epoxidation with H2O2 in basic EtOH gave the aromatic cerulenin analogues 17a-e. Pharmacological testings for the synthesized substances were executed on efflux pump-resistant and -sensitive Candida albicans isolates, on the fatty acid synthesis enzyme KasA of Mycobacterium tuberculosis and on other organisms such as Leishmania major, Trypanosoma brucei brucei, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa within the Sonderforschungsbereich 630.
N2  - Die Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von Ceruleninanaloga als Inhibitoren effluxpumpenresistenter Candida-albicans-Isolate und als Inhibitoren des Fettsäuresyntheseenzyms KasA von Mycobacterium tuberculosis. Der Naturstoff Cerulenin wurde als Leitstruktur gewählt, da er einerseits ein Substrat der bekannten Effluxpumpen von Candida albicans ist und deshalb Strukturvariationen zu einer Blockierung der Effluxpumpen, wie im Fall von Tetrazyklin und dem Inhibitor 13-CPTC der TetB Effluxpumpe, führen können. Andererseits ist Cerulenin ein bekannter Inhibitor der Fettsäuresynthese, allerdings unselektiv für Typ I und II. Ceruleninanaloga als Fettsäureinhibitoren könnten daher eine erhöhte Selektivität bezüglich des Typ II Fettsäuresystems in M. tuberculosis aufweisen. Die in dieser Arbeit zuerst synthetisierten Ceruleninderivate wurden durch Kupplung von 2,3-Dihydrofuran und dem zuvor dargestellten 1-Octaniodid gefolgt von Ringöffnung und Oxidation mittels Chromsäure zur 4-Ketosäure, und Umsetzung zum entsprechenden Amid und somit den Ceruleninanaloga 4a-d hergestellt. Substanz 4e wurde entsprechend synthetisiert. Um die Epoxidfunktion der Leitstruktur zu integrieren, die besonders hinsichtlich des Wirkmechanismus von Cerulenin im FAS-System wichtig zu sein scheint (wenn man die bekannten Kristallstrukturen von Cerulenin und dem KasA-Analogon in E. coli berücksichtigt), wurden Tetrahydro- und Dihydroceruleninanaloga synthetisiert. Ausgehend von dem entsprechendem Aldehyd wurde (im Fall der Tetrahydrocerulenine) Lacton 5 auf zwei verschiedene Arten dargestellt: mittels Route A und B. Route A beinhaltete die Kupplung des Aldehyds 1-Nonanal mit Propiolsäure durch eine entsprechende Grignardreaktion mit anschließender Hydrierung über Lindlar-Katalysator unter Wasserstoffdruck. Bei Route B wurden 1-Nonanal und Methylpropiolat mittels n-BuLi gekuppelt und anschließend hydriert durch Refluxieren mit Lindlar-Katalysator und NH4HCO2. Die Hydrierungen von Route A und B wurden auch in der Mikrowelle durchgeführt, wodurch bessere Ausbeuten und/oder Reaktionszeiten erzielt werden konnten. Das so dargestellte Lacton 5 wurde dann epoxidiert, der Lactonring durch den Angriff eines Amins geöffnet und der so entstandene Alkohol mittels Collins Oxidierung zu den Tetrahydroceruleninanaloga 8a-e oxidiert. Dihydroceruleninanaloga 10a-c wurden auf analogem Syntheseweg hergestellt mit dem Unterschied, dass die entsprechende Lactonzwischenstufe 9a nur durch Route A synthetisiert und ein weiterer Zwischenschritt zum Ringschluss benötigt wurde. Um Ceruleninanaloga mit allen strukturellen Komponenten des Cerulenins inklusive zweier Doppelbindungen und Epoxidfunktion zu erhalten, wurde ein dritter Syntheseweg gewählt. Zur Integration der späteren Seitenkette wurde zuerst Aldehyd 12 durch Kupplung von geschütztem 4-Pentyn-1-ol mit entweder Crotylbromid oder Crotylchlorid, anschließendem Entschützen und Hydrierung über Lindlar-Katalysator und unter Wasserstoffdruck und nachfolgender Swern Oxidation synthetisiert. Die anschließende Synthesesequenz startete von Substanz 12 und wurde in Anlehnung der Synthese an die Dihydroceruleninderivate über Lacton 51 durchgeführt. Die größte Abweichung stellte dabei die Oxidation im letzten Schritt dar, die mittels TPAP/NMO durchgeführt wurde und in den (4Z,7E)-Ceruleninanaloga 15a-b resultierte. Eine vierte Klasse von Ceruleninanaloga wurde mit den aromatischen Derivaten 17a-e synthetisiert. Diese Route startete mit der Synthese der Benzoylacrylamide 16a-e aus Benzoylacrylsäure über das gemischte Anhydrid, das mit Isobutylchloroformiat hergestellt wurde, gefolgt von der Zugabe des entsprechenden Amins. Die nachfolgende Epoxidierung mit H2O2 in basischem EtOH ergab die aromatischen Ceruleninanaloga 17a-e. Pharmakologische Testungen der synthetisierten Substanzen wurden an Efflux-pumpen-resistenten und -sensitiven Candida albicans Isolaten, am Fettsäuresyntheseenzym KasA von Mycobacterium tuberculosis und an anderen Mikroorganismen wie Leishmania major, Trypanosoma brucei brucei, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa im Sonderforschungsbereich 630 durchgeführt.
KW  - Organische Synthese
KW  - Candida albicans
KW  - Tuberkelbakterium
KW  - Instrumentelle Analytik
KW  - Naturstoff
KW  - Cerulenin
KW  - KasA
KW  - Effluxpumpen
KW  - Fettsäurebiosynthese
KW  - fatty acid biosynthesis
KW  - efflux pumps
KW  - kasA
KW  - cerulenin
KW  - tuberculosis
KW  - Candida albicans
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27532
ER  -