Anna Heilos

• Cysteine proteases play a crucial role in medical chemistry concerning various fields reaching from more common ailments like cancer and hepatitis to less noted tropical diseases, namely the so-called African Sleeping Sickness (Human Arfican Trypanosomiasis). Detailed knowledge about the catalytic function of these systems is highly desirable for drug research in the respective areas. In this work, the inhibition mechanisms of the two cysteine proteases cathepsin B and rhodesain with respectively one low-molecular inhibitor class wereCysteine proteases play a crucial role in medical chemistry concerning various fields reaching from more common ailments like cancer and hepatitis to less noted tropical diseases, namely the so-called African Sleeping Sickness (Human Arfican Trypanosomiasis). Detailed knowledge about the catalytic function of these systems is highly desirable for drug research in the respective areas. In this work, the inhibition mechanisms of the two cysteine proteases cathepsin B and rhodesain with respectively one low-molecular inhibitor class were investigated in detail, using computational methods. In order to sufficiently describe macromolecular systems, molecular mechanics based methods (MM) and quantum mechanical based method (QM), as well as hybrid methods (QM/MM) combining those two approaches, were applied. For Cathespin B, carbamate-based molecules were investigated as potential inhibitors for the cysteine protease. The results indicate, that water-bridged proton-transfer reactions play a crucial role for the inhibition. The energetically most favoured pathway (according to the calculations) includes an elimination reaction following an E1cB mechanism with a subsequent carbamylation of the active site amino acid cysteine. Nitroalkene derivatives were investigated as inhibitors for rhodesain. The investigation of structurally similar inhibitors showed, that even small steric differences can crucially influence the inhibition potential of the components. Furthermore, the impact of a fluorination of the nitroalkene inhibitors on the inhibition mechanism was investigated. According to experimental data measured from the working group of professor Schirmeister in Mainz, fluorinated nitroalkenes show – in contrast to the unfluorinated compounds – a time dependent inhibition efficiency. The calculations of the systems indicate, that the fluorination impacts the non-covalent interactions of the inhibitors with the enzymatic environment of the enzyme which results in a different inhibition behaviour.…
• Cysteinproteasen spielen eine wichtige Rolle in der medizinischen Chemie. Nicht nur im Bereich bekannterer Krankheiten wie Krebs oder Hepatitis, sondern auch bezüglich weniger verbreiteter, tropischer Krankheiten wie der sogenannten afrikanischen Schlafkrankheit (Afrikanische Trypanosomiasis) haben diese Enzyme eine große Bedeutung. Im Bereich der Wirkstofffindung ist ein detailliertes Wissen über die katalytische Funktion der an einer Krankheit beteiligten Enzyme unabdingbar .In der vorliegenden Arbeit wurden die Inhibitionsmechanismen derCysteinproteasen spielen eine wichtige Rolle in der medizinischen Chemie. Nicht nur im Bereich bekannterer Krankheiten wie Krebs oder Hepatitis, sondern auch bezüglich weniger verbreiteter, tropischer Krankheiten wie der sogenannten afrikanischen Schlafkrankheit (Afrikanische Trypanosomiasis) haben diese Enzyme eine große Bedeutung. Im Bereich der Wirkstofffindung ist ein detailliertes Wissen über die katalytische Funktion der an einer Krankheit beteiligten Enzyme unabdingbar .In der vorliegenden Arbeit wurden die Inhibitionsmechanismen der beiden Cysteinproteasen Cathepsin B und Rhodesain in Verbindung mit zwei niedermolekularen Inhibitorklassen anhand theoretischer Berechnungen untersucht. Um die makromolekularen Systeme ausreichend genau beschreiben zu können, wurden neben molekularmechanischen (MM) und quantenmechanischen (QM) Ansätzen auch Hybridmethoden verwendet, welche beide Ansätze (QM/MM) verbinden. Für Cathepsin B wurden Carbamat-basierte Moleküle als potenzielle Inhibitoren der Cysteinprotease untersucht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass wasser-verbrückte Protonentransferreaktionen eine entscheidende Rolle für die Inhibition spielen. Der laut den Rechnungen energetisch günstigste Mechanismus beinhaltet eine Eliminierungsreaktion nach einem E1cB Mechanismus gefolgt von der Carbamylierung der Aminosäure Cystein in der aktiven Tasche des Enzyms. Nitroalken-Derivate wurden als potenzielle Rhodesain Inhibitoren untersucht. Der Vergleich strukturell ähnlicher Verbindungen weist darauf hin, dass schon kleine sterische Veränderungen einen großen Einfluss auf das Inhibitionspotenzial der Nitroalkene haben können. Außerdem wurde der Einfluss einer Fluorierung der Inhibitoren anhand von Berechnungen untersucht. Messungen der Arbeitsgruppe von Prof. Schirmeister in Mainz zu fluorierten und unfluorierten Nitroalkenen zeigen, dass die fluorierten Verbindungen ein zeitabhängiges Inhibitionspotenzial in Rhodesain aufweisen. Die Berechnungen der Systeme deuten darauf hin, dass die Fluorierung die nicht-kovalenten Wechselwirkungen der Inhibitoren mit der enzymatischen Umgebung des Systems beeinflussen, was zu einem unterschiedlichen Inhibitionsverhalten führt.…