A estrutura do mycobacterium tuberculosis catalase-peroxidase e os mecanismos de ação da isoniazida : um estudo para novos ligantes

Abstract

A tuberculose é um mal que aflige a humanidade há séculos, e durante certo tempo pareceu ser uma doença controlável. No entanto, nos últimos anos houve uma recrudescência assustadora da tuberculose, principalmente em países em desenvolvimento e que apresentam deficiências sanitárias. Para combatê-la são usados antimicrobianos efetivos contra seu causador, o Mycobacterium tuberculosis, tais como a isoniazida, o etambutol, a rifampicina e a pirazinamida. Este medicamento, um pró-fármaco, necessita ser oxidado para se transformar em recurso metabólico. Esta oxidação pode ser proveniente da ação de enzimas catalíticas como as Catalase-Peroxidases (CP's). Baseando-se na estrutura cristalina da proteína Mycobacterium Tuberculosis Catalase-Peroxidase, mtCP, elucidada por Bertrand et al.,(16) cálculos computacionais foram efetuados para se verificar as interações entre a isoniazida e um potencial sítio ativo da proteína, com o intuito de se obter resultados que contribuam para a compreensão do mecanismo de ação deste ligante com seu receptor. Os métodos matemáticos utilizados foram principalmente a mecânica molecular, a dinâmica molecular, o docking (ou acoplamento, ou ancoramento) rígido e o docking flexível. Estes cálculos estão inclusos no que se conhece genericamente por modelagem molecular. O acoplamento teórico da isoniazida pode fornecer indícios da posição que este composto assume na cavidade receptora da proteína. Quando flexível este tem a característica de indicar possíveis modelos quanto à orientação do ligante no sítio ativo. Este trabalho é facilitado pela existência da protoporfirina (grupo heme) na cavidade receptora do mtCP e a prévia determinação de sua posição por difração de raios-X. Há várias propostas quanto aos aminoácidos que compõem o sítio ativo do mtCP, mas, de fato, este ainda não está bem determinado. Pretendemos, através deste trabalho, propor um sítio ativo baseado nos resultados teóricos obtidos, e compará-los àqueles da literatura. As comparações entre os modelos teóricos por nós obtidos conduziram a duas posições preferenciais da isoniazida na cavidade receptora do mtCP e, portanto, a dois diferentes modos de interações com aminoácidos localizados em torno da cavidade receptora e com o cofator heme. Além disto, um terceiro modo de interação foi analisado, através da introdução de um segundo composto, o óxido nítrico (NO), para verificar novas propostas que foram recentemente publicadas, quanto à contribuição dada por peróxidos para a estabilização da isoniazida e subseqüente ativação da proteína. Os resultados iniciais obtidos parecem indicar que o óxido nítrico é um agente promissor e essencial à estabilização da isoniazida com o ferro da protoporfirina e os aminoácidos do sítio ativo. ________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The tuberculosis is one of the diseases afflicting the humanity during centuries. For certain moment it seemed to be controllable. However, during the last years it had a frightful of the tuberculosis, mainly in countries in development and presenting sanitary deficiencies. To fight it, effective antibiotics against its causer, the Mycobacterium tuberculosis, are being used, such as isoniazid, ethambutol, rifampicin and pyrazinamide. This compound, a pro-drug, needs to be oxidized to change itself into a metabolic resource. This oxidation can be proceeding from the catalytic enzyme action as the Catalase-Peroxidases (CP's). Based on the crystalline structure of the protein Mycobacterium Tuberculosis Catalase-Peroxidase, mtCP, elucidated by Bertrand et al.,(16) computational calculations had been carried out to verify the interactions between isoniazid and the active site of the protein, in the aim to get results contributing for the understanding of the mechanism of action of this ligand with its receptor. The used mathematical methods had been mainly the molecular mechanics, the molecular dynamics, the rigid docking and flexible docking. These calculations are among the ones generically known as molecular modeling. The theoretical coupling between isoniazid and the active site could give important indications about the amino acids composing the active site. Moreover, they could indicate how they are interacting together. When flexible, the docking has the characteristics to indicate all possible orientations that the ligand can assume to activate the enzyme. This work is facilitated by the existence of the protoporphyrin (heme group) in the reception pocket of mtCP and the previous determination of its position by X-Ray diffraction. It has some proposals about the amino acids composing the mtCP active site, but, in fact, this is still not well defined. We intend, through our theoretical results, to also propose an active site, and to compare them with those found in the scientific literature. Our models had lead to two preferential ways for those interactions. The first model is constituted by the isoniazid it self, analyzed in relation to the active pocket and the protoporphyrin cofator (heme). In the second model, another cofactor, a NO molecule, was added to this complex and it seems to be essential for the isoniazid stabilization with the iron of the protoporphyrin. The comparisons among the gotten theoretical models had lead to two preferential positions of the isoniazid in the receiving pocket of mtCP and, therefore, two different interaction ways of the amino acids located around the pocket and its heme cofactor. Moreover, one third way of interaction was analyzed, through the introduction of a compound, the nitric oxide, to verify new proposals that are been published, about the contribution given by peroxides to the isoniazid stabilization and the subsequent protein activation. The gotten initial results seem to indicate that the nitric oxide is a promising and essential agent to induce that stabilization.