Molecular Modelling Studien am humanen Cytochrom P450 1A2 (PDF)

Das humane CYP1A2, das für den Arzneistoffmetabolismus in der Leber und für die Aktivierung von Prokarzinogenen von Bedeutung ist, wurde mithilfe von Molecular- Modelling-Methoden theoretisch untersucht. Da die dreidimensionale Struktur des Isoenzyms nicht bekannt ist, wurde zunächst auf der Grundlage einer Kristallstruktur des Säugetiercytochroms CYP2C5, die als Substratkomplex vorliegt, ein Homologiemodell erstellt. Die Validierung des CYP1A2-Modells erfolgte anhand einer MDS über einen Simulationszeitraum von 2,5 ns in physiologischer Umgebung, wobei die Simulationsbedingungen zunächst in einer MDS mit der Kristallstruktur überprüft wurden. Es resultierte ein stabiles Proteinmodell von guter struktureller Qualität, das alle den P450-Isoenzymen gemeinsamen charakteristischen Strukturmerkmale aufwies und dessen dynamisches Verhalten mit dem der Kristallstruktur übereinstimmte. Im Hinblick auf die moleküldynamische Untersuchung von Substratkomplexen des CYP1A2-Modells wurde wiederum zuerst eine Validierungsdynamik mit einer Kristallstruktur von CYP2C5 durchgeführt. Es zeigte sich, dass der Substratkomplex der Kristallstruktur über einen Simulationszeitraum von 5 ns stabil blieb und dass das Bindungsverhalten von Diclofenac im aktiven Zentrum qualitativ gut wiedergegeben werden konnte. Für die drei strukturell unterschiedlichen Substrate MeIQ, 7-Ethoxyresorufin und Coffein wurde jeweils eine Positionierung im aktiven Zentrum des CYP1A2-Modells gefunden, die ebenfalls zu einem stabilen Enzym-Substrat- Komplex in einer MDS derselben Länge führte. Die Substrate befanden sich dabei durchgehend in einer für eine Umsetzung günstigen Orientierung zum Hämeisen. Im Fall des MeIQ und des 7-Ethoxyresorufins standen zahlreiche Protein-Substrat- Interaktionen in Übereinstimmung mit Mutationsstudien. Darüber hinaus wurden weitere, teilweise wasservermittelte Wasserstoffbrückeninteraktionen identifiziert, die für die Substratbindung von Bedeutung sein könnten. Für das Coffein wurde eine weitere MDS mit der Substratorientierung für die Bildung des Nebenmetaboliten Theobromin durchgeführt, die bei einer Auswertung der Unterschiede in den Protein- Substrat-Interaktionen einen Erklärungsansatz für die bevorzugte Bildung des Hauptmetaboliten Paraxanthin lieferte. Die abschließende Anwendung des Homologiemodells von CYP1A2 bestand in einer 3D-QSAR-Studie, für die ein Datensatz kompetitiver CYP1A2-Inhibitoren, bestehend aus 44 Chinolinen, Naphthalenen, Lactonen und anderen Verbindungen, eingesetzt wurde. Im Hinblick auf die korrekte Beschreibung des Häm wurde zunächst das verwendete Docking-Programm anhand eines Testdatensatzes von 12 Substraten validiert. Acht der 12 Substrate konnten korrekt im aktiven Zentrum des CYP1A2- Modells positioniert werden. Daraufhin wurden auch die Verbindungen des Inhibitordatensatzes mithilfe des automatischen Dockings in der Proteinstruktur überlagert. Die Korrelation von molekularen Interaktionsfeldern der Inhibitorkonformationen aus der Überlagerung mit der biologischen Aktivität der Verbindungen resultierte in einem statistisch signifikanten vorhersagekräftigen PLS-Modell.