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Previous issue date: 2013-07-26 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As Metaloproteinases de Matriz (MMPs) desempenham um papel crucial nos processos fisiológicos e condições patológicas tais como progressão tumoral e metástases. Nos últimos anos, tem sido proposto uma série de inibidores de MMPs (IMMPs), incluindo as Tetraciclinas Quimicamente Modificadas (CMTs), as quais têm apresentado resultados promissores em ensaios com modelos pré-clínicos de câncer. No entanto, até o presente não havia nenhum estudo da estrutura-atividade desses compostos. Neste sentido, na presente tese foram combinadas as metodologias teóricas da Teoria do Funcional da Densidade (DFT), Docking molecular e simulação de Dinâmica Molecular (DM) para elucidar o mecanismo de interação das CMTs com o sítio ativo das MMPs. Primeiramente a estrutura e estabilidade dos modelos moleculares miméticos do sítio ativo da MMP-2 representados por: [Zn(LHn)(H2O)2]2+x (n = 0, 1, 2 e x = -2, -1, 0) e [Zn(L)(His)3], onde L representa CMT1, -3, -4, -7 e -8, foram calculados usando DFT. O efeito do solvente e do pH foram também avaliados. Os resultados sugerem que a coordenação com o zinco ocorra no sítio VI(O11O12), o qual é igualmente favorável para a CMT-3 (log β = 15,9) e CMT-8 (log β = 21,3). Esta análise inicial evidenciou que a atividade das CMTs como inibidoras de MMP estaria diretamente relacionada à sua estrutura. Na segunda fase do trabalho foi investigada a interação das CMTs diretamente com o sítio ativo da MMP-2 (1QIB) combinando os métodos de docking molecular, simulações de DM e cálculos de energia livre. Um novo conjunto de parâmetros para os átomos de Zn(II) estrutural e catalítico da enzima foi calculado, validado e depositado dentro do campo de forças AMBER. As CMTs foram otimizadas no nível B3LYP/6-31G(d) e “docadas” dentro do sítio ativo da MMP-2. As melhores soluções foram minimizadas e submetidas a 12ns de simulação de DM. A energia livre de ligação foi calculada usando as metodologias de integração termodinâmica e MMPBSA. Os principais resultados mostram que as CMTs coordenam-se ao Zn(II) através do sítio VI(O11-O12), como proposto experimentalmente. Com exceção do análogo CMT-3 que está envolvido em contatos hidrofóbicos e interações de van der Waals com aminoácidos do bolso S1’da enzima e ainda interage com o Zn(II) pelo O11. A análise da energia livre de ligação revela uma maior afinidade entre o análogo CMT-3 com o sítio ativo da MMP-2, seguido pela CMT-7 e CMT-8, sendo que a diferença de energia varia apenas de 3 kcal mol1. De acordo com os resultados, é possível inferir que a ocupação do canal S1’ seria um fator fundamental para a resposta biológica da CMT-3, enquanto que as demais CMTs, por impedimento estérico, não entram no túnel hidrofóbico da enzima. Os resultados apresentados nesta tese tratam do primeiro estudo em nível molecular da interação de CMTs com metaloproteínas, como contribuição para a compreensão das observações experimentais, sobretudo dos testes biológicos, e ainda uma referência direta para o desenho de novos análogos das CMTs com maior potencial biológico. / Matrix Metalloproteinases (MMPs) play a critical role in physiological processes and pathological conditions such as tumor progression and metastasis. In recent years, a number of MMP inhibitors (MMPIs) have been proposed, including the chemically modified tetracyclines (CMTs), which have been evaluated in preclinical cancer models showing promising results. However, until present there were no studies on the structure-activity relationship for these compounds. In this sense, the present thesis focuses on the direct interaction of CMTs with the active site of the MMPs. Density Functional Theory (DFT), molecular docking and molecular dynamics (MD) simulations were accomplished for seven CMT derivatives. Firstly the structure and stability of mimetic molecular models of active site of MMP-2 represented by: [Zn(LHn)(H2O)2]2+x (n = 0, 1, 2 and x = -2, -1, 0) and [Zn(L)(His)3], where L=CMT-1, CMT-3, CMT-4, CMT-7 and CMT-8, were calculated at DFT level. The solvent and pH effects were also evaluated. The results suggested that the coordination at the O11-O12 site (site VI) was quite favorable to CMT-3 (log β = 15,9) and CMT-8 (log β = 21,3). This initial analysis showed that the activity of CMTs as inhibitors of MMP is directly related to its structure. In the second stage of the study, we investigated the interaction of CMTs directly with the active site of MMP-2 (1QIB). New sets of parameters were proposed for structural and catalytic zinc atoms in order to study MMPs and their complexes by means of the AMBER force field. The CMTs ligands were optimized at the B3LYP/6-31G(d) and docked onto the active site of MMP-2. The best solutions were minimized and subjected to 12ns MD simulation. The binding free energy was calculated using the methods of thermodynamic integration and MM-PBSA. The main results showed that the CMTs bind to the catalytic zinc of the MMP-2 enzyme through the O11-O12 moiety (site VI) as proposed experimentally. The exception was the CMT-3 analogue which is involved in hydrophobic contacts and van der Waals interactions with amino acids of the S1’ pocket in the MMP-2 enzyme and also interacts with the Zn (II) by O11. The binding energy calculated in solution predicts the CMT-3 complexes as the most favorable, followed by the CMT-7 and CMT-8 analogues, whose energy difference is within 3 kcal mol-1. These results suggest that the occupancy of S1’ pocket is an important molecular feature for biological response of CMT-3, while the other CMTs do not enter the hydrophobic tunnel of the enzyme due to the steric hindrance. The results presented in this thesis are the first step towards understanding the mechanism of CMTs as MMP inhibitors at a molecular level and could be a significant contribution to the understanding of experimental observations, especially the biological tests and the CMTs action mechanism as MMP inhibitors, allowing the design of new analogues with enhanced biological potency.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:hermes.cpd.ufjf.br:ufjf/2317 |
| Date | 26 July 2013 |
| Creators | Marcial, Bruna Luana |
| Contributors | Santos, Hélio Ferreira dos, Ramos, Maria João |
| Publisher | Universidade Federal de Juiz de Fora, Programa de Pós-graduação em Química, UFJF, Brasil, ICE – Instituto de Ciências Exatas |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFJF, instname:Universidade Federal de Juiz de Fora, instacron:UFJF |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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