| Popis: |
FOSFOİNOSİTİD 3-KİNAZ (PI3K) ENZİMİNİN KOVALENT OLMAYAN İNHİBİSYON MEKANİZMASI ÜZERİNE KUVANTUM KİMYA HESAPLAMALARIKinaz enzimlerinin özellikle kanser tedavisi için önemli farmakolojik hedefler olduğubilinmektedir. Son zamanlarda lizin kalıntıları ile gerçekleştirilen hedeflenmiş-kovalentinhibisyon çalışmaları ise etkili ilaç aktif madde tasarımları açısından birçok avantajasahiptir. Yeni bir deneysel çalışmada, fosfoinositid 3-kinaz delta (PI3Kδ) enzimini aktifbölgesindeki lizini hedefleyerek seçimli ve kovalent olarak inaktive eden bir dizi yenifenil ester inhibitörü geliştirilmiştir. Ancak, fenil esterlerin tersine, metil ester türevininkovalent olmayan inhibisyona yol açması dikkat çekmiştir. Etkin ve seçici yeniinhibitörlerin tasarlanabilmesi için inhibitör davranışlarının kimyasal mekanizma ileaydınlatılması gerekmektedir.Bu tezin amacı, kuantum kimyasal mekanizma modellemeleri yaparak, söz konusu metilester türevinin, PI3Kδ enzimini neden kovalent bağlanarak inhibe etmediğini açıklığakavuşturmak ve kovalent inhibisyonun sağlanabilmesi için yeni inhibitör adayıönermektir. Bu amaçla, enzim yapısından kesilmiş bir aktif bölge modeli üzerinde PI3Kδenzimindeki lizin-779 ile metil ester inhibitörü arasındaki ester aminoliz tepkimesine aitçeşitli mekanizma yolları modellenmiştir. Yapı optimizasyonları 2 katmanlı ONIOMyaklaşımı kullanılarak M06-2X/6-31+G(d,p):PM6 yöntemleri ile gerçekleştirilmiş ve 3farklı mekanizmaya ait Gibbs serbest enerji profilleri elde edilmiştir.Lizinin estere kovalent bağlanması sonucu zwiteriyon ara ürünü oluşması tümmekanizma yollarının ortak ilk adımıdır. Hesaplanan aktivasyon enerjileri, bu araürününoluşabileceğini ancak oldukça kararsız olduğunu ve kovalent bağın tersinir olarak geriyeayrılabileceğini ortaya koymaktadır. Ancak, tüm mekanizma yollarının son adımları çokyüksek aktivasyon enerji bariyerlerine sahiptir. Bu durum zwiteriyon'un ileri yönlüreaksiyonunun engellenmesine ve kovalent olmayan enzim-inhibitör kompleksine geridönmesine neden olur. Bu bulgular, deneysel gözlem ile tutarlıdır ve metil esterinhibitörünün kovalent olmayan davranışının nedenini açıklamaktadır. Elde edilensonuçlara dayanarak enzimi kovalent inhibe edeceği öngörüsü ile inhibitörün tiyoestertürevi tasarlandı ve reaksiyon enerji profili elde edildi. Beklenildiği gibi, ayrılan grup tiyolat iyonunun daha kararlı olması ayrılma basamağının enerji engelini azaltarak,tiyoester türevinin kovalent inhibisyona neden olabileceğini göstermiştir. Tezkapsamında mekanizmanın detaylarının aydınlatıldığı bu modellemeler, amaca uygunetkili yeni PI3Kδ inhibitörlerinin tasarlanması için yol gösterici niteliktedir. QUANTUM CHEMICAL CALCULATIONS ON THE NONCOVALENT INHIBITION MECHANISM OF PHOSPHOINOSITIDE 3-KINASE ENZYME (PI3K)Kinase enzymes are important pharmacological targets especially for cancer treatment.Recently, covalent inhibitors targeting lysine residues have attracted great interest aslysines have many advantages in the design of effective drug active substances. In a recentexperimental study, a series of novel phenyl ester inhibitors have been developed thatselectively and covalently inactivate the phosphoinositide 3-kinase delta (PI3Kδ) enzymeby targeting a lysine at its active site. However, it was noted that, unlike phenyl esters,the methyl ester derivative caused non-covalent inhibition. The elucidation of inhibitorybehavior with the chemical mechanism is necessary for the design of effective andselective new inhibitors.The aim of this thesis is to clarify why the methyl ester derivative does not act as acovalent inhibitor of the PI3Kδ enzyme and to propose a new inhibitor candidate forcovalent inhibition. For this purpose, various mechanistic paths of the ester aminolysisreaction between lysine-779 in the PI3Kδ enzyme and the methyl ester inhibitor weremodeled on an active site model truncated from the enzyme structure. The geometryoptimizations were performed using the 2-layer ONIOM approach with M06-2X/6-31+G(d,p):PM6 method and Gibbs free energy profiles of all mechanisms were obtained.The formation of a zwitterion intermediate as a result of covalent binding of lysine to theester is the common first step of all pathways. The calculated activation energy barrierreveals that this intermediate can form but is highly unstable and therefore dissociatesback to the reactants. However, the final steps of all pathways have very high activationenergy barriers. This prevents the forward reaction of the zwitterion and drives it back tothe non-covalent enzyme-inhibitor complex.These findings are consistent with the experimental observation and explain the noncovalent behavior of the methyl ester inhibitor. Based on these results, we designed thesulfur analogue of the noncovalent inhibitor (thioester) with the assumption that it wouldcovalently inhibit the enzyme. As expected, the thioester derivative, bearing a more stableleaving group, have displayed an energy profile of a typical covalent inhibitor with aviireduced energy barrier of the dissociation step. The inhibition mechanisms elucidatedwithin the scope of this thesis can serve as a guide for the design of new effective PI3Kδinhibitors. |
