Análisis de la actividad catalítica de cruzipaína mediante estudios de dinámica molecular híbrida QM/MM

CERUTTI, JUAN PABLO; ROITBERG, A.; QUEVEDO, M.A.

Conferencia; Simposio Iberoamericano COIFFA 2020; 2020

Cruzipaína (CZP) es la principal cisteín proteasa de T. cruzi, el agente causal de la Enfermedad de Chagas. Su sitio activo se caracteriza por la presencia de 3 subdominios principales (S1-S3) y de una triada catalítica formada por Cys25, His162 y Asn182 (Fig. 1). Ante el interés por el desarrollo de inhibidores de CZP y especialmente en el contexto del diseño racional de potenciales fármacos, resulta esencial esclarecer detalladamente los mecanismos moleculares implicados en su actividad catalítica y potencial de inhibición. Una de las metodologías más empleadas a tal fin es la que aplica estudios de dinámica molecular híbrida clásica-cuántica, conocidos como QM/MM-MD (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics Molecular Dynamics). Este estudio permite evaluar la coordenada de reacción catalítica de la enzima segmentando el sistema de interés en múltiples regiones, modelando cada una de ellas empleando un nivel de cálculo adecuado para describir las propiedades estructurales, electrónicas y energéticas de todo el sistema con un costo computacional moderado. Este método ha sido utilizado con éxito en la descripción detallada de diversas reacciones de relevancia en el campo de la bioorgánica. Recientemente, Moliner y colaboradores han reportado los resultados de estudios QM/MM-MD del mecanismo catalítico de CZP frente a un sustrato no específicoa. Sin embargo, la actividad catalítica de CZP frente a sustratos específicos, tales como el dipéptido fluorogénico comercial Z-Phe-Arg-AMC (Z-FR-AMC, Fig. 1A) que es ampliamente empleado en ensayos biológicos, no ha sido reportada hasta el momento. Asimismo, los estudios de QM/MM-MD han sido empleados para predecir los mecanismos de inhibición de algunos inhibidores irreversibles de CZP reportados, tales como halometilcetonasb, dipeptidil nitroalquenosc y la vinilsulfona K777d (Fig. 1B). Este último constituye uno de los inhibidores de CZP más estudiados y que ha demostrado prometedora actividad antichagásica en estudios preclínicose. Por otra parte, a pesar de que se han reportado estructuras cristalográficas homodiméricas de CZP (CZP-HD) y que se conoce que algunas cisteín proteasas relacionadas a CZP funcionan catalíticamente como dímeros (ej.: Mpro de SARS-CoV-2f), todos los estudios in silico reportados al momento han sido realizados frente a la estructura monomérica de CZP (CPZ-MO), originando una descripción incompleta de las relaciones estructura-actividad relacionadas con la ocupación del subsitio S1 de la enzima. Finalmente, la relevancia de la estereoquímica para los procesos catalíticos e inhibitorios de CZP ha sido reportada desde el punto de vista experimental, aunque no exhaustivamente explorada a nivel molecular empleando metodologías computacionales.