Computational Studies of Interactions of Small Molecules with their Biological Targets

Abstract

The thesis specializes in the computational description of pharmaceutically important compounds. A substantial number of pharmaceutical drugs are small molecules that are bound to an active site of an enzyme by the "lock (binding site) and key (drug)" model through non-covalent interactions. The association of enzymes with drugs cause an increase or decrease in the activity of enzymes. The main topic is focused on the computational elucidation of the structural basis for the interactions of the purine-like compounds with the enzyme cyclin- dependent kinase 2 that belongs to the protein-kinase enzyme family. These enzymes play an important role in the cell cycle regulation; their increased activity significantly contributes to the loss of control over cell proliferation, which is one of the primary causes of cancer cell formation. The study describes the binding motifs of roscovitine, which shows an inhibitory effect on the function of cyclin-dependent kinases, and its analogues containing bioisosteric central heterocycles in the complex with cyclin-dependent kinase 2. The binding affinity between the cyclin-dependent kinase 2 enzyme and the inhibitors was quantified as calculated binding scores and evaluated in relation to the conformation of the optimized structures. The hybrid model combining the...

Práce je zaměřena na výpočetní analýzu farmaceuticky zajímavých látek v interakci s jejich biologickými cíli. Velké množství léčiv jsou malé molekuly, které se do aktivního místa enzymu vážou na principu "zámku (enzym) a klíče (léčivo)" prostřednictvím nekovalentních interakcí a způsobují tak vzestup nebo pokles aktivity enzymu. Hlavní téma práce se věnuje objasnění strukturních základů interakcí purinových analogů s enzymem cyklin-dependentní kinázou 2, který patří do protein-kinázové rodiny. Tyto enzymy hraji důležitou roli v regulaci buněčného cyklu, zvýšení jejich aktivity zásadním způsobem přispívá ke ztrátě kontroly nad buněčnou proliferací, což je jedna z příčin tvorby rakovinových buněk. Studie popisuje vazebné motivy roskovitinu, látky s inhibičním účinkem na funkci cyklin-dependentních kináz, a jeho analogů s biosterickými centrálními heterocykly v interakci s cyklin-dependentní kinázou 2. Vazebná afinita mezi enzymem a inhibitory je kvantifikována jako vypočtené vazebné skóre a vyhodnocena ve vztahu ke konformaci optimalizovaných struktur. Pro výpočty byl použit hybridní model kombinující kvantově mechanickou - QM (DFT-D) a semiempirickou kvantově mechanickou - SQM (PM6-D3H4X) metodu. Solvatační efekt byl popsán implicitním solvatačním modelem COSMO na SQM úrovni pro celý systém. Druhé...