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Titel:De novo-Design und Synthese neuer Leitstrukturen als Übergangszustandsmimetika zur selektiven Inhibition der HIV-1 Protease und Cathepsin D
Autor:Specker, Edgar
Weitere Beteiligte: Klebe, Gerhard (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2004
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0511
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0511
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-05110
DDC: Medizin, Gesundheit
Titel(trans.):De novo design and synthesis of novel lead structures as transition state isosteres for the selective inhibition of HIV protease and Cathepsin D

Dokument

Schlagwörter:
Inhibitors, Cathepsin D, Cathepsin D,, HIV Protease, HIV protease, Inhibitoren
Referenziert von:

Zusammenfassung:
Die Aufgabenstellung dieser Dissertation war die Entwicklung und Validierung von zwei neuartigen Leitstrukturen im Hinblick auf das strukturbasierte Design. Im Fokus stand die Etablierung der Aminohydroxysulfone als neue Substanzklasse zur Inhibierung verschiedener Vertreter aus der Familie der Aspartylproteasen. Inhibitoren aus dieser Substanzklasse waren bisher nicht bekannt und fanden in der Wirkstoffforschung noch keine Beachtung. Daher waren die Aminohydroxysulfone als neue Leitstruktur schon aus patentrechtlichen Gründen interessant. Zuerst werden die Konzepte zur Darstellung der Aminohydroxysulfone vorgestellt und die Substanzklasse anhand von bereits bekannten Aspartylproteaseinhibitoren als neue, privilegierte Leitstruktur in den Kontext der Wirkstoffforschung eingeordnet. Die geplanten Arbeiten umfassten die diastereoselektive Synthese des chemischen Grundkörpers, die biologische Testung ausgewählter Verbindungen gegen HIV-1 Protease und Cathepsin D und die Bestimmung des Bindungsmodus sowohl durch computergestütztes Docking als auch durch Kokristallisation der dekorierten Aminohydroxysulfone mit den Enzymen. Anschließend wird die neue Substanzklasse der Pyrrolidindimethanamine als neue, heterozyklische, nicht-peptidische Leitstruktur für die HIV-1 Protease vorgestellt. Zunächst werden die Ideen und Hintergründe, die zur Auswahl der Pyrrolidindimethanamine geführt haben, diskutiert. Anschließend werden anhand der Kristallstruktur des HIV-1 Protease Komplexes mit dem Inhibitor Amprenavir (PDB-Code: 1HPV) die strukturellen Voraussetzungen für eine korrekte Adressierung der Bindetasche in unterschiedlichen Aspartylproteasen auf das Grundgerüst der neuen Leitstruktur übertragen. Weiterhin werden die diastereoselektive Synthese des Grundgerüsts und eine mögliche Dekoration der Pyrrolidindimethanamine vorgestellt und anhand von Docking Simulationen weitere Optimierungen der Leitstruktur vorgeschlagen. Im letzten Teil werden die durchgeführten Bioassays für die HIV-1 Protease und Cathepsin D und die Aufreinigung der HIV-1 Protease zur möglichen Kokristallisation mit den synthetisierten Inhibitoren vorgestellt.

Summary:
Aspartic proteases are a widely known enzyme class that play an important role in the regulation of physiological processes such as blood pressure (Renin),digestion (Pepsin) and degradation of endocytosed proteins (Cathepsin D). They are also crucial for the progress of severe diseases caused either by parasites like malaria (Plasmepsin) and viruses like HIV (HIV protease) or neurodegenerative disorders including Alzheimer disease (b-Secretase). Since the catalytic mechanism of aspartic proteases was first postulated, several transition state analogues have been designed by replacing the dipeptidyl cleavage site of the specific peptide substrate. A key structural element in most transition state isosteres is a hydroxyl moiety that interacts with the two catalytically active aspartic acids via hydrogen bonds. This secondary hydroxyl group replaces a catalytic water molecule in the active site and mimics the tetrahedral intermediate that is usually formed upon amide bond hydrolysis of the native substrate. Here, we present a series of hydroxyethylenesulfones as novel transition state analogues. In this study the hydroxyethylenesulfones have been synthesized and evaluated for their ability to inhibit aspartic protease. The novel lead structure motif is derived from scaffolds of already known inhibitors targeting distinct aspartic proteases. One further rational design strategy for pyrrolidinedimethylenediamines was derived by adoption of key structural elements from classical peptidomimetics linked with a non-peptide heterocyclic core structure. It is illustrated the structural requirements for our novel prototype inhibitor in a schematic manner starting from crystal structures of HIV protease and Cathepsin D with the classical peptidomimetic pepstatin. The incorporated hydroxyl group in the statine core interacts via hydrogen bonds with the catalytic aspartic acids. Further important hydrogen bonds can be recognized by two indicated carbonyl groups which either interact with the flap water in the active site of HIV protease or the nitrogens of Gly 79 and Asp 80 of the Cathepsin D backbone.In order to evaluate whether the pyrrolidinediemethylenediamines are a valid new lead structure the central pyrrolidine core was decorated with already optimized site chains derived from the HIV protease inhibitor Amprenavir and the Cathepsin D inhibitor.


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