Aldose Reduktase ALR2 katalysiert den ersten Schritt des Sorbitol-Stoffwechselweges. In diesem wird mit Hilfe des Kofaktors NADPH Glukose zu Sorbitol reduziert. Bei erhöhtem Blutzuckerspiegel, wie dies bei Diabetes-Patienten der Fall ist, ist dieser metabolische Weg von Bedeutung. Bis zu einem Drittel der Blutglukose wird zu Sorbitol reduziert. Die Folge der Sorbitolakkumulation in den Zellen und der Verminderung der NADPH-Konzentration sind „osmotischer“ sowie „oxidativer“ Stress. Diese stehen in Zusammenhang mit den vielfach diskutierten Spätschäden des Diabetes, wie diabetischer Katarakt, Neuro- und Nephropathie. Das Enzym ist experimentell sehr gut untersucht und eignet sich daher als Modellsystem zur Untersuchung der intrinsischen Proteinflexibilität und thermodynamischer Daten mit Hilfe von Computermethoden. Unter diesen Voraussetzungen steht der Gewinn eines besseren Verständnisses von molekularer Erkennung und Proteinbeweglichkeit der ALR2 unter Verwendung von Molekulardynamik-Simulationen MD als primäres Ziel im Zentrum dieser Arbeit. Dabei wurden MD-Studien zu zwei kristallographisch erhaltenen Protein-Ligand-Komplexen durchgeführt. Die Liganden unterscheiden sich nur geringfügig in der Länge einer Seitenkette, ihre Bindung führt allerdings zu gänzlich unterschiedlichen Bindemodi. Einer davon ist bislang einzigartig für die ALR2. Mit Hilfe von MD-Simulationen wurde versucht, eine Erklärung für diese neue Konformation der Bindetasche im Vergleich zu jener eines strukturell sehr ähnlichen Liganden zu finden. Außerdem waren über diese Studien Aussagen über besonders flexible Bereiche der ALR2-Bindetasche möglich, die mit bereits existierenden Erkenntnissen über die Bindetaschenflexibilität verglichen werden konnten. Darüber hinaus gelang es, durch die Methode der gesteuerten Molekulardynamik SMD einen Übergang zwischen einer röntgenkristallografisch ermittelten kofaktorgebundenen Holo-Konformation und kofaktorfreien Apo-Konformation zu simulieren. Computergestützte Methoden ermöglichen es also, weitläufige Bewegungen von einer Proteinkonformation in die andere nachzuvollziehen bzw. die experimentell erhaltenen Strukturen zu bestätigen. Eine mechanistische Deutung des Kofaktorassoziations- und Kofaktordissoziationsprozesses wurde ebenfalls versucht. Dafür war es notwendig, strukturelle Veränderungen im Protein zeitlich zu verfolgen und entscheidende Vorgänge zu identifizieren. Die Methode der SMD wurde in dieser Arbeit auch auf ein weiteres, pharmakologisch interessantes System übertragen. Dabei wurde versucht auch an zwei Vertretern der Klasse der Nukleären Rezeptoren NRs, dem Androgenrezeptor AR und dem Estrogenrezeptor ER, eine solche weitreichende Bewegung nachzuvollziehen. Auch bei diesen Rezeptoren sind zwei in der Position einer alpha-Helix unterschiedliche Formen bekannt. Auch hier wurden mit Hilfe der genannten Methode, relevante Ereignisse hinsichtlich der Helixmobilität identifiziert. Abschließend wurde auf den thermodynamischen Aspekt der Protein-Ligand-Komplexe eingegangen. Durch Berechnungen anhand der Methode der thermodynamischen Integration TI wurden relative Bindungsaffinitäten am Modellsystem ALR2 gewonnen. Durch den Vergleich mit experimentell vorhandenen Daten konnte die Methode validiert werden. Das Verfahren der TI sollte in Zukunft eine Voraussage von Affinitäten beliebiger, sich geringfügig unterscheidender Inhibitoren, die aber denselben Bindemodus aufweisen, ermöglichen und damit den Prozess des Wirkstoffdesigns erleichtern. Zusammenfassend ergab sich eine gute Übereinstimmung der experimentell ermittelten Strukturen bzw. Daten mit den durch Computersimulationen erhaltenen. / Aldose Reductase ALR2 catalyzes the first step of the sorbitol pathway leading to a reduction of glucose into sorbitol. NADPH acts as cofactor. People suffering from diabetes mellitus blood show a raised glucose level and up to one third of the available glucose is processed in this way. As a consequence sorbitol accumulates in cells with insulin-independent glucose uptake and the NADPH concentration decreases. This leads to “osmotic” as well as “oxidative” stress, which are correlated to the late-onset diabetic complications like diabetic cataract, neuro- and nephropathy. The enzyme is experimentally very well examined. Therefore, it can be taken as model system for the investigation of the intrinsic protein flexibility and formerly gained thermodynamic data by application of computer methods. It is in that context that Aldose Reductase is regarded as an important target for this work with the aim of getting a broader insight into molecular recognition and protein mobility by use of molecular dynamics simulations MD. MD simulations were carried out for two crystallographically obtained protein-ligand-complexes. Both ligands lead to different binding modes although they differ only by the length of one sidechain. The binding mode for one of these inhibitors is unique for ALR2. MD simulations should shed light upon this novel binding site conformation and investigate enzyme’s inherent flexibility in comparison with former studies. Beyond that it was possible to reconstruct the transition between the cofactor bound "holo" comformation to a cofactor unbound "apo" one by the application of Steered Molecular Dynamics SMD. Therefore computer simulations offer the possibility to simulate large movements from one protein conformation to the other one and affirm the experimentally obtainable stuctures. A mechanistical explanation of the cofactor association and dissociation process was also tried. For this purpose an observation of the structural rearrengements in time was necessary to elucidate crucial events. The method of SMD was additionally used to investigate the large movements in two members of the class of the pharmacollogically very interesting Nuclear Receptors NR, the Androgen Receptor AR and the Estrogen Receptor ER. For both this receptors two different conformations are known, differing from each other by the position of an alpha-helix. Here relevant events in helix mobility were identified. To conclude the thermodynamic aspect of protein-ligand-complexes was examined. By the method of thermodynamic integration TI relative binding affinities of ALR2 inhibitors were gained. Comparison with experimental data allowed a validation. In the future the prediction of binding affinities of slightly different inhibitors showing an identical binding mode should be possible by the use of TI to ease the process of drug design. In summary, an good agreement between experimental structures respectively data and computational results is obtained.

Nahrungsinhaltsstoffe sind im Organismus an Steuerungsprozessen und Stoffwechselvorgängen beteiligt, wobei die Mechanismen ihrer Wirkung noch nicht völlig aufgeklärt sind. Wie Vitamin E zeigen auch sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe in Zellsystemen sowie <I>in vivo</I> eine Reihe biologischer Wirkungen, deren Erklärung jedoch häufig auf ihre antioxidative Eigenschaft reduziert wird. Ziel der Dissertation war es, den Einfluss von Vitamin E und anderen Pflanzeninhaltsstoffen (in Form von Pflanzenextrakten oder isolierten sekundären Pflanzeninhaltsstoffen, z.B. Polyphenole), die bisher alle hauptsächlich als Antioxidanz klassifiziert wurden, auf die transkriptionelle Regulation von Phase I- und Phase II-Enzymen zu untersuchen. Dazu wurde die Aktivierung des PXR (pregnane X receptor) und des Nrf2 (NF-E2-related factor-2) als zentrale Transkriptionsfaktoren der Phase I- bzw. Phase II-Enzyme getestet. <br><br> Der Einfluss von verschiedenen Vitamin E-Formen und antioxidativen Pflanzeninhaltsstoffen in Form von Reinsubstanzen (Curcumin, EGCG, Medox, Quercetin, Resveratrol und Sulforaphan) oder Pflanzenextrakten (aus Blaubeeren, Gewürznelken, Himbeeren, Nelkenpfeffer, Thymian oder Walnüssen) auf die Aktivierung von PXR und Nrf2 sowie des Promotors eines jeweiligen Zielgens (CYP3A4 bzw. GI-GPx) wurde <I>in vitro</I> mit Reportergenplasmiden untersucht. Es zeigte sich, dass sowohl Vitamin E-Formen als auch verschiedene sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe PXR und/oder Nrf2 sowie die Promotoren der jeweiligen Zielgene CYP3A4 bzw. GI-GPx aktivieren. In einem Tierexperiment konnte diese genregulatorische Wirkung von Vitamin E auf die <I>in vivo</I>-Situation übertragen werden. In Lebern von Mäusen, deren Futter unterschiedliche Mengen von Vitamin E enthielt (Mangel-, Normal- und Überflussdiät), wurde eine direkte Korrelation zwischen der alpha-Tocopherol-Konzentration und der Cyp3a11 mRNA-Expression nachgewiesen (Cyp3a11 ist das murine Homolog zum humanen CYP3A4). Entgegen der <I>in vitro</I>-Situation hatte gamma-Tocotrienol <I>in vivo</I> einen nur kaum nachweisbaren Effekt auf die Expression der Cyp3a11 mRNA, induzierte aber die Expression der alpha-TTP mRNA. Es konnte gezeigt werden, dass Vitamin E und sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe Phase I- und Phase II-Enzyme transkriptionell regulieren können. <br><br> Die Wirkungen des Vitamin E können sich allerdings nur entfalten, wenn die Vitamin E-Formen ausreichend vom Körper aufgenommen werden. Gegenstand der Dissertation waren daher auch Untersuchungen zur Bioverfügbarkeit (zelluläre Akkumulation und Metabolismus) verschiedener Vitamin E-Formen. Es konnte gezeigt werden, dass Unterschiede in der chemischen Struktur der Vitamin E-Formen deren zelluläre Akkumulation und Metabolisierung beeinflussen. <br><br> Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Dissertation lassen sich protektive Wirkungen von antioxidativen Nahrungsinhaltsstoffen auch unabhängig von ihren antioxidativen Eigenschaften über die Induktion zelleigener Schutzsysteme, einschließlich der Phase I- und Phase II-Enzyme, erklären. Die Induktion der zelleigenen Abwehr lässt sich auch als adaptive Antwort (sog. "adaptive response") des Organismus gegenüber zellschädigenden Ereignissen betrachten. / In the organism food compounds are involved in regulatory and metabolic processes although the mechanisms of their effects have not been completely elucidated yet. Like vitamin E, secondary plant compounds have diverse biological effects, both in cell systems as well as <I>in vivo</I>. However, the explanation thereof is often reduced to their antioxidative capacity. The aim of this thesis was to investigate the influence of vitamin E and other plant compounds (in form of plant extracts or isolated secondary plant compounds, e.g. polyphenols), which were up to now classified primarily as antioxidants, on the transcription of phase I- and phase II-enzymes. For this, the activation of central transcription factors of the phase I- or phase II enzymes, PXR (pregnane X receptor) and Nrf2 (NF-E2-related factor-2), was tested. <br><br> The influence of different vitamin E forms and antioxidative plant compounds in form of pure substances (curcumin, EGCG, Medox, quercetin, resveratrol, and sulforaphane) or plant extracts (from blueberries, clove, raspberries, allspice, thyme, or walnuts) on the activation of PXR and Nrf2 as well as on the promoter of a respective target gene (CYP3A4 or GI-GPx) was investigated <I>in vitro</I> by reporter gene assays. It appeared that vitamin E forms as well as different secondary plant compounds activate PXR and/or Nrf2 as well as the promoter of the respective target genes CYP3A4 and GI-GPx. The effects of vitamin E were confirmed <I>in vivo</I> by an animal experiment. In livers of mice whose diet contained different amounts of vitamin E (deficient, adequate and supra-nutritional), a direct correlation between alpha-tocopherol content and Cyp3a11 mRNA expression was shown (Cyp3a11 is the murine homolog to the human CYP3A4). In contrast to the <I>in vitro</I> observations, gamma-tocotrienol <I>in vivo</I> only had a small effect on the expression of Cyp3a11 mRNA. However, it induced the expression of alpha-TTP on mRNA level. It could be shown that vitamin E and secondary plant compounds can influence the transcriptional regulation of phase I- and/or phase II-enzymes. <br><br> However, these effects of vitamin E can only be seen if the vitamin E forms are taken up by the body sufficiently. Therefore, another aim of the thesis was to investigate the bioavailability of different vitamin E forms (i.e., cellular accumulation and metabolism). It could be shown that differences in the chemical structure of vitamin E forms influence their cellular accumulation and metabolism. <br><br> Regarding the results of this thesis, protective effects of antioxidative food compounds can be explained independent of their antioxidative properties by the induction of cellular protective systems, including phase I- and phase II-enzymes. The induction of cellular defence mechanism can also be considered as an adaptive response of the organism towards cell-damaging events.

A stereoselective synthesis of (25S)-Δ1-, (25S)-Δ1,4-, (25S)-Δ1,7-, (25S)-Δ8(14)-, (25S)-Δ4,6,8(14)-dafachronic acid, methyl (25S)-Δ1,4-dafachronate and (25S)-5α-hydroxy-3,6-dioxocholest-7-en-26-oic acid is described. (25S)-Δ1,4-Dafachronic acid and its methyl ester are natural products isolated from corals and have been obtained by synthesis for the first time. (25S)-5α-Hydroxy-3,6-dioxocholest-7-en-26-oic acid represents a promising synthetic precursor for cytotoxic marine steroids. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

A stereoselective synthesis of (25S)-Δ1-, (25S)-Δ1,4-, (25S)-Δ1,7-, (25S)-Δ8(14)-, (25S)-Δ4,6,8(14)-dafachronic acid, methyl (25S)-Δ1,4-dafachronate and (25S)-5α-hydroxy-3,6-dioxocholest-7-en-26-oic acid is described. (25S)-Δ1,4-Dafachronic acid and its methyl ester are natural products isolated from corals and have been obtained by synthesis for the first time. (25S)-5α-Hydroxy-3,6-dioxocholest-7-en-26-oic acid represents a promising synthetic precursor for cytotoxic marine steroids. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.