[en] In this doctoral thesis, computational studies were carried out for the enzymes caspase-1 and 3CLpro of SARS-CoV-2. These enzymes belong to the cysteine ​​protease family, which hydrolyze their respective substrates by breaking a particular peptide bond. This reaction involves a catalytic dyad made up of a Cis-His pair. The enzymes Caspase-1 and the SARS-CoV-2 enzyme 3CLpro were selected due to its pharmacological importance in Alzheimer's disease and in the COVID-19 disease respectively. For both, studies were carried out that helped to rationalize the reaction mechanism with its natural substrate using QM/MM methods. Also, studies on a series of covalent inhibitors were conducted in order to identify the key enzyme-substrate interactions that will help improve the performance of the inhibitors against their respective enzymes. The reaction mechanism found for the caspase-1 enzyme occurs through an alternative route to the standard mechanism of this type of enzyme. In the mechanism found in our simulations, the catalytic cysteine ​​is activated directly by the amino group of its natural substrate, which facilitates the subsequent nucleophilic attack of sulfur on the carbonyl and the breaking of the peptide bond. In this study it was determined that the protonation state of the catalytic dyad that best correlates with the experimental results is the one in which both residues are neutral, with the histidine protonated on the delta nitrogen. It was also determined that the most potent inhibitors for caspase-1 are those that present better interactions with residues His342, Pro343 and Arg383, in addition to the interactions already well characterized for the stabilization of the oxyanion formed during the reaction. In the case of the 3CLpro of SARSCoV-2, the results indicate that the catalytic dyad in the Michaelis complex exist in a neutral state, requiring the cysteine be activated ​​by the catalytic histidine for the reaction to proceed. Subsequently, the amino group of the substrate abstracts the proton from the histidine while the nucleophilic attack of the cysteine ​​sulfur on the carbonyl carbon of the peptide bond takes place. An alternative reaction mechanism was described for the deacylation step, where the amino group of the leaving group deprotonates the water molecule that subsequently hydrolyzes the acyl-enzyme complex. Regarding enzyme inhibition, a proton exchange mechanism mediated by a water molecule or a hydroxyl group was found. The findings of this doctoral thesis open the door for the development of powerful inhibitors for the two enzymes involved in this study, thus hoping to contribute to the development of drugs that help treat the diseases in which they are involved.

[es] En esta tesis doctoral se realizaron estudios computacionales para las enzimas caspasa-1 y la 3CLpro del SARS-CoV-2. Estas enzimas pertenecen a la familia de las cisteína proteasas, las cuales hidrolizan sus respectivos sustratos rompiendo un enlace peptídico en particular. En esta reacción interviene una diada catalítica conformada por un par Cis-His. La caspasa-1 fue seleccionada debido a su importancia farmacológica en la enfermedad de Alzheimer, y la enzima 3CLpro del SARS-CoV-2 por estar involucrada en el proceso de replicación del virus responsable de la enfermedad del COVID-19. Para ambas se realizaron estudios que ayudaron a racionalizar el mecanismo de reacción con su sustrato natural utilizando m todos QM/MM. También se realizaron estudios de una serie de inhibidores enzimáticos covalentes identificando las interacciones clave enzima-sustrato que ayudar n a mejorar el desempeño de los inhibidores frente a sus respectivas enzimas. El mecanismo de reacción encontrado para la enzima caspasa-1 ocurre por una ruta alternativa al mecanismo estándar de este tipo de enzimas. En el mecanismo encontrado en nuestras simulaciones la cisteína catalítica se activa directamente por el grupo amino de su sustrato natural, lo que facilita el posterior ataque nucleofílico del azufre al carbonilo y la ruptura del enlace peptídico. En este estudio se determinó que el estado de protonación de la dada catalítica que mejor correlaciona con los resultados experimentales es aquel en el que ambos residuos están neutros, encontrándose el protón de la histidina sobre el nitrógeno delta. También se determina que los inhibidores más potentes para la caspasa-1 son aquellos que, presentan mejores interacciones con los residuos His342, Pro343 and Arg383, adicionalmente a las interacciones ya bien caracterizadas para la estabilización del oxianión formado durante la reacción. En el caso de la 3CLpro del SARSCoV-2, los resultados apuntan a que la dada catalítica en el complejo de Michaelis se encuentra en estado neutro, siendo necesaria la activación de la cisteína por parte de la histidina catalítica para que la reacción proceda. Posteriormente el grupo amino del sustrato abstrae el protón de la histidina mientras se da el ataque nucleofílico del azufre de la cisteína sobre el carbono del carbonilo del enlace peptídico. Para la etapa de de-acilación se describió un mecanismo de reacción alternativo, en donde el grupo amino del grupo saliente desprotona la molécula de agua que posteriormente va a hidrolizar el complejo acil-enzima. En cuanto a la inhibición enzimática, se encontró un mecanismo de intercambio de protones mediado por una molécula de agua, o un grupo hidroxilo. Los hallazgos de esta tesis doctoral abren la puerta para el desarrollo de potentes inhibidores para las dos enzimas involucradas en este estudio, esperando así contribuir al desarrollo de medicamentos que ayuden a tratar las enfermedades en las que se encuentran involucradas.