Teoretická studie karbonické anhydrázy IX

Bc. Michal Škultéty

Master's thesis

Theoretical Study of Carbonic Anhydrase IX

Abstract:

Karbonická anhydráza IX (CA IX) katalyzuje hydrataci oxidu uhličitého za vzniku hydrogenuhličitanového iontu a protonu. Jedná se důležitou reakci v mnoha fyziologických procesech, ale zároveň se podílí na udržování fyziologického pH uvnitř nádorových buněk, které jsou v hypoxickém stavu. CA IX je tudíž nezbytnou součástí mechanismu, který umožňuje masivní proliferaci hypoxických nádorů. Acidifikace extracelulárního prostoru, ke které dochází, vede k zvýšenému riziku metastáz. CA IX obsahuje unikátní PG doménu, která není přítomna u ostatních izoforem karbonické anhydrázy. Skutečnost, že se jedná o CA IX unikátní doménu spolu s tím, že její třídimenzionální struktura není známa, vytváří z CA IX atraktivní cíl pro selektivní léčbu nádorových onemocnění. Chybějící 3D strukturní informace PG domény dělají z CA IX rovněž vhodný cíl molekulárně dynamických simulací. Výsledky simulací na µs škále naznačují, že PG doména je nestrukturovanou částí enzymu. Simulace rovněž odhalily důležité souvislosti týkající se enzymatické aktivity. PG doména by mohla zakrýt vstup do kavity, kde se nachází aktivní místo a tím maximalizovat účinnost katalýzy.

Abstract:

Carbonic anhydrase IX (CA IX) catalyzes the hydratation of carbon dioxide to bicarbonate and proton. This reaction is vital for many physiological processes but it is also important for maintaining physiological pH inside a tumor cell exposed to hypoxia conditions. CA IX is then essential for survival of tumor cells leading to massive proliferation of tumor tissues. Moreover, low extracellular pH values caused by CA IX leads to the high risk of metastasis. CA IX contains an unique PG domain not seen in the other CA isoforms. Three dimensional structure of the PG domain is not known and since the domain is absent in other isoforms of CA IX enzyme, it becomes an interesting target for development of new anti-cancer drugs therefore computational approach was used in this work for the rationalization of its structure and behaviour. Results of MD simulations on µs timescale indicate that PG domain is an unstructured moiety of CA IX. Simulations also reveal important consequences related to enzymatic activity. The PG domain might cover active site entrance, thus improve the whole catalysis.

Keywords

molekulová dynamika, molekulové modelování, molekulová mechanika, výpočetní chemie, homologní modelování, hypoxie, karbonická anhydráza IX, protinádorová terapie, molecular dynamics, molecular modelling, molecular mechanics, computational chemistry, homology modelling, hypoxia, carbonic anhydrase IX, anti-cancer therapy

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 5. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 24. 6. 2015
• Supervisor: RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Biomolecular Chemistry