Virtual screening and computational binding free energy calculation of possible glucosamine-like inhibitors for the enzyme hexokinase 2

ilustraciones, diagramas, tablasLa hexoquinasa 2 (HK2) es una enzima con importancia terapéutica humana debido a su relación con des órdenes metabólicos como la diabetes y el desarrollo de células cancerosas (efecto Warburg), por tanto, debemos implementar estrategias para obtener inhibidores efectivos frente a ella. Se ha reportado en la literatura experimental, una serie de glucosaminas 2,6 disustituidas con capacidad de inhibir HK2. En esta tesis desarrollamos una estrategia computacional para identificar compuestos análogos a la glucosamina con potencial afinidad por HK2 utilizando como entrada la información estructural y actividad in vitro del reporte antes mencionado. Para ello realizamos un tamizaje virtual de una base de datos pública mediante relaciones cuantitativas estructura-actividad (QSAR), modelos farmacofóricos y acoplamiento (docking) molecular. Generamos cinco modelos QSAR con una correlación razonable entre las propiedades fisicoquímicas y la actividad biológica experimental (R2P ≥ 0,6. σ2 ≥ 0,6. RMSEP < 2,0 y 0,2 ≤ R2 LOO ≤ 0,6) e identificamos tres moléculas con potencial actividad inhibitoria contra la HK2 (3, 6 y 139 en la numeración de este trabajo). Calculamos la afinidad de estos ligandos mediante simulaciones de dinámica molecular acopladas al método MM-PB(GB)SA. La afinidad de la molécula 3 hacia HK2 es de 6,91 (5,98; 7,85) Kcal mol−1, la de la molécula 6 de -4,11 (-5,04; -3,17) Kcal mol−1 y la de la molécula 139 de 0,49 (-0,44; 1,43) Kcal mol−1. Estas afinidades se encuentran dentro de un rango de energías apropiado a un control negativo y positivo [-16,12 (-17,06; -15,18) Kcal mol−1 y 3,59 (2,66; 4,53) Kcal mol−1], con significancia estadística. La estrategia es confiable para identificar moléculas similares a la glucosamina con potencial capacidad inhibitoria para este sistema, dado que a través de tres estrategias distintas (QSAR, farmacóforo y docking molecular) conseguimos el mismo grupo de moléculas. Además, los resultados se complementan en su aproximación, ya que por un lado el farmacóforo generaliza las características fisicoquímicas idóneas de los ligandos presentadas por los QSAR; y por el otro, el docking molecular tiene en cuenta las interacciones con el receptor, permitiendo mejorar las limitaciones de cada método. Finalmente, describimos un modo de acción para el ligando 6 que se rige mayormente por interacción hidrofóbica, correspondiendo a un mecanismo alternativo presentado por el control positivo, el cual contrasta por presentar en su mayoría interacciones de tipo puente de hidrogeno con el receptor (en su contribución entálpica). (Texto tomado de la fuente)Hexokinase 2 (HK2) is an enzyme with human therapeutic importance due to its relationship with metabolic disorders such as diabetes and cancer cell growing (Warburg effect), therefore, we must implement strategies to obtain effective inhibitors against it. Recently, a series of 2,6-disubstituted glucosamines with the ability to inhibit HK2 have been reported in the experimental literature. In this thesis we developed a computational strategy to identify glucosamine analogues with potential affinity for HK2 using as input the structural information and in vitro activity from the aforementioned report. For this purpose, we performed a virtual screening of a public database using quantitative structure-activity relationships (QSAR), pharmacophoric models and molecular docking. We generated five QSAR models with reasonable correlation between physicochemical properties and experimental biological activity (R2 P ≥ 0,6. σ 2 ≥ 0,6. RMSEP < 2,0 y 0,2 ≤ R2 LOO ≤ 0,6) and identified three molecules with potential inhibitory activity against HK2 (3, 6 and 139 in the numbering of this work). We calculated the affinity of these ligands by molecular dynamics simulations coupled to the MM-PB(GB)SA method. The affinity of molecule 3 toward HK2 is 6,91 (5,98; 7,85) Kcal mol−1 , that of molecule 6 is -4,11 (-5,04; -3,17) Kcal mol−1 and that of molecule 139 is 0,49 (-0,44; 1,43) Kcal mol−1 . These affinities are within a range of energies appropriate to a negative and positive control [-16,12 (-17,06; -15,18) Kcal mol−1 and 3,59 (2,66; 4,53) Kcal mol−1 ], with statistical significance. The strategy is reliable for identifying glucosamine-like molecules with potential inhibitory capacity for this system, since through three different strategies (QSAR, pharmacophore and molecular docking) we obtained the same group of molecules. Moreover, the results complement each other in their approach, since on the one hand the pharmacophore generalizes the ideal physicochemical characteristics of the ligands presented by the QSARs; and on the other hand, molecular docking takes into account the interactions with the receptor, allowing us to improve the limitations of each method. Finally, we describe a mode of action for ligand 6 that is mostly governed by hydrophobic interaction, corresponding to an alternative mechanism presented by the positive control, which contrasts by presenting mostly hydrogen bridge type interactions with the receptor (in its enthalpic contribution).MaestríaMagíster en Ciencias - QuímicaModelamiento computacional de sistemas fisicoquímicosÁrea Curricular en Ciencias Naturale