Understanding the Binding Characteristics of Aldose Reductase

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Blutzuckerspitzen, die trotz exogener Insulingabe beim Diabetes unvermeidlich sind, führen in Zellen mit Insulin-unabhängiger Glucoseaufnahme zu unphysiologisch hohen Glucosekonzentrationen. Die überschüssige Glucose tritt dann in den Sorbitolstoffwechsel ein, dessen erster Schritt durch Aldose-Reduktase (AR) katalysiert wird. Die Anreicherung des dabei entstehenden, polaren Sorbitols führt zu Zellschädigungen, die sich klinisch in den sogenannten diabetischen Spätschäden manifestieren. Inhibitoren der AR stellen somit einen Therapieansatz zur Vermeidung dieser gravierenden Komplikationen dar. Bisher bekannte AR-Inhibitoren besitzen weder die gewünschte Wirkstärke noch ein tolerables Nebenwirkungsprofil. Ausgehend von der Struktur der AR soll nach neuen Leitstrukturen gesucht werden, die das Potential zur Weiterentwicklung zu neuen Arzneistoffen besitzen. In einem gemeinsamen Projekt sollen Synthese, Computerdesign, Kristallstrukturbestimmung, physikochemische Charakterisierung und biologische Testung durchgeführt werden. Eine besondere Herausforderung ist hierbei die große Substratpromiskuität der AR, die mit einer Anpassung der Bindetasche auf die vorgegebene Größe eines Liganden einhergeht. Diese Eigenschaft des Enzyms macht neue Designkonzepte erforderlich. Parallel zum Design sollen physikochemische und mikrokalorimetrische Untersuchungen den Protonierungsgrad der Liganden und die treibende Kraft des Bindungsvorgangs, vor allem im Hinblick auf die starke induzierte Anpassung der Bindetasche, festlegen. Kenntnis dieser Größen ist Voraussetzung für ein gezieltes Design. Ausgangspunkt stellen die bereits in Marburg aufgefundenen Rhodanine dar. Weiterhin sollen De-Novo-Design Ansätze ganz andere Molekülgerüste als potentielle Leitstrukturen entdecken. Dabei soll sich das Design auch auf die Cofaktorbindestelle ausdehnen, ein für die AR neuartiges Konzept der Enzyminhibition. Für die biologische Testung soll neben einem Enzymassay auch der massenspektrometische Nachweis einer Ligandenbindung als Methode untersucht und etabliert werden.