English

Finding the correct binding mode of highly flexible ligands is a demanding approach in molecular docking studies. With this respect, in some earlier efforts, the docking of these sorts of inhibitors of AChE was not successfully accomplished. For instance E2020, BHG and DECA using QXP+, FlexX, Auto Dock and G.O.L.D, which is even true for their docking into the ligand-bounded protein. Furthermore, even finding the very final possible binding mode of the ligand that forms the most stable complex with the protein was not confidently obtainable. In this presented work, the difficulties of docking studies on very flexible ligands were addressed by improvement of a consensus method that is based on QXP+ and local Monte Carlo search algorithm to reduce the conformational search space. The method has been developed using BHG and was successfully applied to other AChE ligands including E2020 and DECA. Although, the procedure has been particularly developed for study and prediction of the binding mode of AChE inhibitors, it was successfully employed for docking the very high flexible inhibitors of other proteins like human Rhinovirus 14, Win52084 (1RUH), and Win51711 (1PIV). The method was also employed for the prediction of binding mode of a few CDK2 inhibitors through docking them into the ligand unbounded proteins as well as into their ligand bounded proteins, while the latter was performed to improve the quality of complexation energy and better scoring of the ligand-protein binding mode to estimate the inhibitory constant of them as a result of molecular docking study. The method was also used for detailed study on the various AChE inhibitors such as: The possible protonation state for the ligand in its complexed state with AChE; Definition of the amino acids that are dominantly involved in binding the ligand; Importance and influence of particular water molecules on the conformational pose of the ligand in the binding site; Selection of particular structural posture of the ligand in the case of PPG with two crystallographicaly possible poses of the ligand in its conformationaly convertible piperidine moiety; Prediction of the binding mode of a new derivative of galanthamine and elucidation of its structural details in complex state with docking into a non-complexed protein; Study on the possibility of leaving the binding site of AChE through an alternative path way based on “Back door” hypothesis that results finding only one pathway as the most possible one, among four suggested back and side doors.

Deutsch

Die korrekte Vorhersage von Protein-Ligand-Komplexen ist vor allem bei flexiblen Liganden nach wie vor eine große Herausforderung an molekulare Docking-Verfahren. Beispiele dafür sind Studien von AChE-Komplexen mit den Inhibitoren E2020, BHG and DECA unter Verwendung von QXP+, FlexX, Auto Dock and G.O.L.D als Docking-Algorithmus, bei denen häufig die Kristallstrukturen nicht verifiziert werden konnten. In der vorliegenden Arbeit ist dieses Docking-/Scoring-Problem speziell am Beispiel hoch flexibler Liganden aufgegriffen worden. Dabei wurden „consensus scorings“-Methoden auf der Basis des Docking-Tools QXP+ und der implementierten lokalen Monte Carlo Algorithmen zur sinnvollen Eingrenzung des Konformationsraums entwickelt. Die Methode ist an Hand des Liganden BHG erarbeitet und anschließend auf weitere AChE-Liganden wie E2020 und DECA erfolgreich angewendet worden. Sie erwies sich darüber hinaus auch in allen anderen untersuchten Beispielen von Proteinkomplexen mit stark flexiblen Liganden als robustes Docking/Scoring-Verfahren wie beispielsweise bei human Rhinovirus 14, Win52084 (1RUH), und Win51711 (1PIV). Außerdem ist mit dieser Methode am Beispiel von CDK2-Inhibitoren die Möglichkeit einer Abschätzung der Inhibitorqualität verschiedener Liganden in einem „unbound“ Dockingansatz untersucht worden. Das neue Docking/Scoring-Verfahren hat sich darüber hinaus bewährt bei der Untersuchung des möglichen Protonierungszustands von AChE-Inhibitoren in Protein-Ligand-Komplexen; Definition der Aminosäuren einer Bindungstasche, die den größten Beitrag zur Ligandenbindung leisten; Abschätzung des Einflusses einzelner Wassermoleküle auf die Positionierung des Liganden in der Bindungstasche; Festlegung der korrekten Orientierung des Piperidinrings im PPG, die aus den Kristallstrukturangaben nicht eindeutig zu bestimmen war; Vorhersage der Struktur bislang unbekannter Komplexe der AChE mit neuen Galanthaminderivaten; Definition der wahrscheinlichsten von vier möglichen Austrittswegen der Ligandenspaltprodukte aus der AChE über eine sog. „Backdoor“.