Molecular modeling studies on the multistep reactivation process of organophosphate-inhibited acetylcholinesterase and butyrylcholinesterase

Poisoning with organophosphorus compounds used as pesticides or misused as chemical weapons remains a serious threat to human health and life. Their toxic effects result from irreversible blockade of the enzymes acetylcholinesterase and butyrylcholinesterase, which causes overstimulation of the cholinergic system and often leads to serious injury or death. Treatment of organophosphorus poisoning involves, among other strategies, the administration of oxime compounds. Oximes reactivate cholinesterases by breaking the covalent bond between the serine residue from the enzyme active site and the phosphorus atom of the organophosphorus compound. Although the general mechanism of reactivation has been known for years, the exact molecular aspects determining the efficiency and selectivity of individual oximes are still not clear. This hinders the development of new active compounds. In our research, using relatively simple and widely available molecular docking methods, we investigated the reactivation of acetyl- and butyrylcholinesterase blocked by sarin and tabun. For the selected oximes, their binding modes at each step of the reactivation process were identified. Amino acids essential for effective reactivation and those responsible for the selectivity of individual oximes against inhibited acetyl- and butyrylcholinesterase were identified. This research broadens the knowledge about cholinesterase reactivation and demonstrates the usefulness of molecular docking in the study of this process. The presented observations and methods can be used in the future to support the search for new effective reactivators

Investigation of acetylcholinesterase reactivation mechanism by molecular modeling methods

Wstęp do niniejszej pracy zawiera informacje dotyczące acetylocholinoesterazy, enzymu odpowiedzialnego za hydrolizę neuroprzekaźnika acetylocholiny i prawidłowe działanie układu nerwowego i nerwowo-mięśniowego. Przedstawione zostały funkcje i budowa enzymu, mechanizm katalitycznej hydrolizy. Dalsza część wstępu zawiera informacje o inhibitorach acetylocholinoesterazy, w szczególności o tych nieodwracalnych będących pochodnymi fosforoorganicznymi, stosowanymi jako pestycydy lub składniki do budowy broni chemicznej. Omówiona została budowa związków fosforoorganicznych, mechanizm ich działania toksycznego, problemy związane z zatruciami. Scharakteryzowano opisane w literaturze związki fosforoorganiczne stosowane jako broń chemiczna. Ponadto opisane zostały sposoby przeciwdziałania zatruciom związkami fosforoorganicznymi. Wyjaśniony został mechanizm reaktywacji acetylocholinoesterazy zahamowanej przez związki fosforoorganiczne przy użyciu oksymów stosowanych jako swoiste odtrutki. Przedstawiono znane struktury oksymów stosowane jako reaktywatory acetylocholinoesterazy, opisano ich ogólną budowę, potencjał reaktywacyjny oraz wady.W części eksperymentalnej pracy opisano przebieg procesu hamowania acetylocholinoesterazy przez tabun z zastosowaniem metod modelowania molekularnego. Pokazany został sposób ułożenia tabunu na moment przed kowalencyjnym związaniem z enzymem i opisano dalszy mechanizm hamowania wynikający z sposobu ułożenia inhibitora. Sprawdzony został tryb kowalencyjnego związania stereoizomerów tabunu z białkiem, opisano ich oddziaływanie z kieszenią wiążącą. W dalszych etapach zbadano i opisano proces reaktywacji acetylocholinoesterazy związanej z tabunem przez znane oksymy: 2-PAM, HI-6, HLo-7, Obidoksym, K074, K203. Prześledzono także oddziaływanie acetylocholinoesterazy z kompleksem tabun-oksym utworzonym w procesie reaktywacji. Na koniec sprawdzony został tryb wiązania badanych oksymów z samą acetylocholinoesterazą w celu oceny ich wpływu na właściwości hamujące enzym. Uzyskane wyniki stanowią próbę zrozumienia trudności związanych z reaktywacją acetylocholinoesterazy zahamowanej przez tabun, wyjątkowo toksyczny związek fosforoorganiczny. Uzyskane wyniki mogą stanowić punkt wyjścia do projektowania nowych skutecznych reaktywatorów esteraz cholinowych.Introduction to this thesis describes acetylcholinesterase, enzyme responsible for hydrolysis of acetylcholine neurotransmitter and in consequence proper functioning of nervous and neuromuscular systems. Functions, structure of enzyme, and mechanism of catalytic hydrolysis were presented. Further part of introduction possesses information about acetylcholinesterase inhibitors, in particular this irreversible which are organophosphorus compounds used as pesticides or nerve agents as components of chemical weapon. Structure of organophosphorus compounds, mechanism of their toxic effects, and problems related to poisoning were discussed. Characteristic of known organophosphorus compounds used as nerve agents were described. In addition, methods of preventing organophosphorus compounds poisoning were presented. Reactivation mechanism of organophosphorus-inhibited acetylcholinesterase by oximes were explained. Structure of oximes used as acetylcholinesterase reactivators were drawn, their general structure, reactivation potential and drawbacks were described. Experimental part of thesis describes process of acetylcholinesterase inhibition by tabun using molecular modeling methods. Tabun arrangement in catalytic pocket just before covalent bonding were shown and accordingly further mechanism of irreversible inhibition were described. Covalent binding mode of both stereoisomers of tabun with acetylcholinesterase were checked. In further experimental part tabun-inhibited acetylcholinesterase reactivation process by known oximes: 2-PAM, HI-6, HLo-7. obidoxime, K074, K203 were studied. Interaction of acetylcholinesterase with the tabun-oxime complex formed in reactivation process was also investigated. Binding mode of examined oximes with acetylcholinesterase was checked to assess their inhibitory properties. Obtained results are attempt to understand difficulties of reactivation tabun-inhibited acetylcholinesterase. Results presented in experimental part of this thesis can be starting point for design of novel potent cholinesterase reactivators