Computational Studies of the Mechanism of Catalysis and Inhibition of Cysteine Proteases

Abstract

Falcipain-2 and cruzain are cysteine proteases involve in Malaria and Chagas disease. Today, many aspects of both, inhibition mechanism and catalytic mechanism of these enzymes are unclear. Thus, it is crucial to improve our understanding of how these enzymes work at molecular level for the design of new inhibitors. In the present Doctoral Thesis, different enzymatic mechanisms of the reaction catalyzed by cruzain, as well as several inhibition processes of cruzain and FP2, have been studied. Hybrid Quantum Mechanics/Molecular Mechanical potentials have been employed to run Molecular Dynamics simulations that allow obtaining the Free Energy Surfaces in terms of Potential of Mean Force. These calculations have allowed obtaining a complete picture of the reaction mechanisms, and the interactions between the inhibitor and the protein. Our results could be used for a rational design of new inhibitors with application in the treatment of severe human diseases.

La cruzaína y la falcipaína-2 están involucradas en muchas enfermedades. Tanto del mecanismo de inhibición como el mecanismo catalítico de estas enzimas son una incógnita. Mejorar la comprensión de estos sistemas enzimáticos a nivel molecular es crucial para el diseño de nuevos inhibidores. En la presente Tesis Doctoral se han estudiado diferentes mecanismos de la reacción catalizada por la cruzaína así como diversos procesos de inhibición de la cruzaína y la falcipaína-2. Se han empleado potenciales Mecánica Cuántica/Mecánica Molecular para realizar simulaciones de dinámica molecular y obtener las superficies de energía libre en términos de potenciales de fuerza media. Estos cálculos han permitido obtener un panorama completo del mecanismo de reacción, y de las interacciones entre el inhibidor y la proteína. Nuestros resultados han contribuido a nuestra comprensión de estos procesos, lo cual podría ser utilizado para un diseño racional de inhibidores con aplicación en el tratamiento de estas enfermedades.