[en] Decoding the interaction of transition metal complexes with proteins is fundamental in biology, pharmacy, medicinal chemistry as well as in the design of artificial metalloenzymes. X-ray crystallography and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) methods provide with explicit structural description of the system although their application is far from trivial. Other spectroscopic methods give insight on the protein region where the metal species is bound or on the amino acid type involved in the metal coordination. Mass spectrometry based techniques can determine the metal moieties-protein stoichiometry, and often suggest the coordinating amino acids. These instrumental techniques though are not able to provide with a complete three dimensional description of the system. This Ph.D. was aimed at expanding molecular modeling applicability to the prediction of the interaction of metallo-ligands with proteins. The thesis has been built on two major pillars. On the one hand protein-ligand docking techniques have been updated to deal with protein-metal coordination bonds formation and on the other, the resulting tools have been applied to a series of practical cases. These have been focused on the study of the interaction of vanadium based insulin-enhancing, and platinum based anti-tumor metallodrugs with their biological target, and the characterization of a copper based artificial metalloenzyme with Diels-Alderase activity. Moreover, a new integrated approach based on the combination of molecular modeling with the EPR and ESI-MS instrumental techniques, is presented. This part of the work provides with major proof-of-concept on the power of coupled experimental and theoretical approaches for the rational design of new metallodrugs as well as act as a guide in a large number of fields in bioinorganic chemistry.

[es] Caracterizar la interacción entre complejos de metales de transición y proteínas es fundamental en campos de investigación como la farmacología y la química médica y para el diseño de metaloenzimas artificiales. La difracción de rayos-X y la resonancia magnética nuclear (RMN) proporcionan una descripción estructural completa del sistema, aunque pueden presentarse dificultades que impidan su aplicación. Otras técnicas espectroscópicas facilitan información de la región en la que el complejo metálico se encuentra enlazado a la proteína, o del tipo de donadores que dan lugar al enlace, pero no permiten una resolución estructural explicita del sistema. Técnicas basadas en la espectrometría de masas son capaces de determinar la relación estequiométrica metal/proteína, pero raramente pueden dar indicaciones acerca del aminoácido específico que coordina el metal. El objetivo general de la presente tesis es atacar esta problemática mediante métodos computacionales de simulación. Para ello, las principales técnicas de modelización molecular, aplicadas hasta ahora principalmente a sistemas orgánicos, se han extendido al estudio y la predicción de la interacción entre complejos de metales de transición y proteínas. La tesis tiene una doble vertiente, por un lado, el desarrollo metodológico de nuevas técnicas de docking capaces de representar el enlace de coordinación proteína-metal, y por el otro la aplicación de estas técnicas a una serie de casos de interés práctico. Como aplicaciones se ha estudiado la interacción de metalofármacos insulino-miméticos a base de vanadio y antitumorales a base de platino con sus targets biológicos y la caracterización de una enzima artificial con actividad Diels-Alderasa, basada en un cofactor de cobre. Se propone además un protocolo integrado para el estudio de interacciones proteína-metal combinando la modelización molecular con técnicas instrumentales de espectroscopia EPR y espectrometría ESI-MS. Esta nueva aproximación muestra elevadas potencialidades de aplicación en el diseño racional de nuevos metalofármacos y metaloenzimas, y en el campo general de la química bioinorgánica.