Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của 2 mercaptoimidazole bằng phương pháp tính toán hoá học

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của Mercaptoimidazole bằng phương pháp tính toán hoá học.2-Sinh viên thực hiện: Trần Việt Anh Mã sinh viên: 19115

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC – MÔI TRƯỜNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG BẮT GỐC TỰ DO VÀ

HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HOÁ CỦA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC – MÔI TRƯỜNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG BẮT GỐC TỰ DO VÀ

HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HOÁ CỦA

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của Mercaptoimidazole bằng phương pháp tính toán hoá học.

2-Sinh viên thực hiện: Trần Việt Anh

Mã sinh viên: 1911507110101 Lớp: 19VL1

Các nghiên cứu trước đây cho thấy hợp chất 2-Mercaptoimidazole (2MC) có khả

năng bắt gốc tự do mạnh mẽ, tuy nhiên vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về cơ chế, động học

và hoạt tính kháng oxy hóa của 2MC và dẫn xuất Vì vậy, nghiên cứu này tập trung vào khả năng bắt gốc tự do của 2MC bằng phương pháp hóa tính toán Ở nghiên cứu này,

2MC và các dẫn xuất một lần thế (42 dẫn xuất thế mono) được thiết kế và đánh giá khả

năng bắt gốc tự do qua tính toán động học Các dẫn xuất được nghiên cứu docking với cácprotein tiêu biểu như (myeloperoxidae (MPO), enzym (1DNU,1HYV) Từ đó lựa chọncác dẫn xuất có năng lượng tương tác tốt là 4 – C6H5 – 2MC, 4 – C2H5 – 2MC, 4 – NO2 –

2MC Khảo sát tính chất dược lý bằng phương pháp ADMET cho thấy 1 – COOH –

ADMET tốt nhất Kết quả so sánh khả năng bắt gốc tự do cho dẫn xuất 4 – NMe2 – 2MC

cho hoạt tính kháng oxy hóa tốt nhất

Giảng viên hướng dẫn: TS Võ Văn Quân

Sinh viên thực hiện: Trần Việt Anh Mã SV: 1911507110101

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của Mercaptoimidazole bằng phương pháp tính toán hoá học

2-2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- 2-Mercaptoimidazole có nguồn gốc từ chất chống oxy hóa tự nhiên ovothiol

3 Nội dung chính của đồ án:

- Tối ưu hóa cấu trúc của 2-Mercaptoimidazole (2MC).

- Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của 2MC thông

qua tính toán nhiệt động

- Tiến hành docking các dẫn xuất với protein ung thư tiêu biểu (myeloperoxidase(MPO) enzyme (PDB id: 1DNU, 1HVY) để đánh giá khả năng tương tác vớiprotein trong việc so sánh với chất gốc

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhất đến giảng viên hướngdẫn TS Võ Văn Quân, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ

án tốt nghiệp, thầy là người luôn theo sát con đường học tập và nghiên cứu của tôi, từ đầuđến cuối thầy luôn là người hướng dẫn và động viên giúp tôi vượt qua mỗi khi tôi gặpkhó khăn trong quá trình thực hiện đề tài này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Hoá học– Môi trường đã tận tình truyền đạt các kiến thức trong quá trình học tập Những kiếnthức không những là nền tảng cho quá trình nghiên cứu đề tài này của tôi mà sẽ còn giúpích cho tôi trong cuộc sống và nhất là trong công việc

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người luôn bên cạnh tôi chia sẻ

và động viên tôi trong suốt thời gian học tập

Tôi xin cam đoan dưới đây là đồ án tốt nghiệp của tôi, những số liệu và kết quả làtrung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ trong luận án nào Những sự giúp đỡ hướngdẫn trong đồ án đã được cảm ơn và các trích dẫn trong đề tài đã được đính kèm tài liệutham khảo.

Sinh viên thực hiện

Nhận xét của người hướng dẫn

Nhận xét của người phản biện

Tóm tắ

t

Nhiệm vụ đồ án

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ii

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT iii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Một số khái niệm 3

1.1.1 Năng lượng phân ly liên kết (BDE: Bond disociation enthalpy) 3

1.1.2 Ái lực proton (PA: Proton Affinity) 3

1.1.3 Ái lực electron (IE: Ionization Energy) 3

1.1.4 Drug – likeness 3

1.1.5 Drug – score 4

1.2 Chất kháng oxy hóa và vai trò của chúng trong cơ thể 4

1.2.1 Gốc tự do là gì? 4

1.2.2 Ảnh hưởng của gốc tự do 5

1.2.3 Chất kháng oxy hóa và vai trò của chúng trong cơ thể 6

1.3 Tổng quan về hợp chất 2-Mercaptoimidazole 6

2.1 Nội dung nghiên cứu 9

2.2 Phương pháp nghiên cứu 9

2.2.1 Phương pháp bán thực nghiệm 9

2.2.2 Tối ưu hoá cấu trúc 10

2.2.3 Phương pháp docking 12

2.2.4 Phương pháp ADMET 14

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 17

3.1 Cấu trúc của các chất 17

3.2 BDE, PA và IE và hoạt tính kháng oxy hóa của 2MC 30

3.3 Khả năng chống oxy hoá của các dẫn xuất 1 lần thế của 2MC 30

3.3.1 Năng lượng phân ly liên kết (BDE) của các dẫn xuất 2MC 30

3.3.2 Ái lực electron (IE) 33

3.4 Khả năng tương tác của các dẫn xuất 2MC với protein 35

3.4.1 Đánh giá và chọn lọc protein 35

3.4.2 Kết quả docking 36

3.5 Nghiên cứu ADMET 41

3.5.1 Giới thiệu về cách nghiên cứu ADMET 41

3.5.2 Tính chất dược lý của các chất 41

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC

Bảng 3.1 Độ dài liên kết và góc liên kết của hợp chất 2MC 21

Bảng 3.2 Tọa độ Descartes của một số dẫn xuất sau khi tối ưu hóa bằng phương pháp pm6 trong pha khí 21

Bảng 3.3 Các giá trị (BDE, IE, và PA) của 2MC trong pha khí 30

Bảng 3.4 Giá trị thông số BDE và ∆BDE của các dẫn xuất 2MC chứa một nhóm thế với hợp chất 2MC 31

Bảng 3.5 Giá trị thông số IE và ∆IE của các dẫn xuất 2MC chứa một nhóm thế với hợp chất 2MC 33

Bảng 3.6 Năng lượng tương tác (kcal/mol) 36

Bảng 3.7 Các thông số ADMET được tính bằng phần mềm Molinspiration 41

Bảng 3.8 Các thông số ADMET được tính bằng phần mềm ADMElab 42

Hình 1.1 Cấu tạo gốc tự do 4

Hình 1.2 Ảnh hưởng của gốc tự do 5

Hình 1.3 Cấu trúc 2-Mercaptoimidazole (2MC) 7

Hình 2.1 Cửa sổ làm việc của GaussView 11

Hình 2.2 Gaussian Calculate Setup 11

Hình 2.3 Cửa sổ notepad 12

Hình 2.4 Phần mềm Autodocktools 13

Hình 2.5 Giao diện phần mềm Molinspiration 15

Hình 2.6 Giao diện phần mềm Osiris Property Explorer (PEO) 15

Hình 3.1 Các dẫn xuất 2MC ở vị trí 1 17

Hình 3.2 Các dẫn xuất 2MC ở vị trí 4 18

Hình 3.3 Các dẫn xuất 2MC ở vị trí 5 19

Hình 3.4 Cấu trúc 2MC trước khi được tối ưu hoá 20

Hình 3.5 Cấu trúc 2MC sau khi được tối ưu hoá 20

Hình 3.6 Cấu trúc tối ưu hoá của một số dẫn xuất tiêu biểu 29

Hình 3.7 Giá trị ∆BDE của các dẫn xuất 2MC so với 2MC 32

Hình 3.8 Giá trị ∆IE của các dẫn xuất 2MC so với 2MC 34

Hình 3.9 Cấu trúc protein ERα 35

Hình 3.10 Cấu trúc protein Aromatase 36

Hình 3.11 Năng lượng tương tác của các dẫn xuất so với chất chuẩn ở protein ERα 38

Hình 3.12 Năng lượng affinity của các dẫn xuất so với chất chuẩn ở protein Aromatase39 Hình 3.13 Cấu trúc của 10 dẫn xuất tiềm năng được chọn 40

Hình 3.14 Druglikeness và Drugscore 43

Chữ viết tắt Chữ đầy đủ Ý nghĩa

2MC 2-Mercaptoimidazole 2-Mercaptoimidazole

BDE Bond disociation enthalpy Năng lượng phân ly liên kết

IE Ionization energy Năng lượng ion hoá

PA Proton affinity Ái lực proton

FHT Formal hydrogen transfer Chuyển nguyên tử hydro

metabolism excretion toxicity

Đánh giá dược động học và dược

lý học

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Những nghiên cứu về khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa là mộttrong những đề tài được thu hút rất nhiều bởi các nhà khoa học trên thế giới Các hoạt tínhkháng oxy hóa và ứng dụng của chúng trong những lĩnh vực khác nhau luôn là đề tài nóngđược các nhà khoa học nghiên cứu

Khả năng bắt gốc tự do của 2MC được thể hiện mạnh mẽ qua các dẫn xuất 2MC.

Cơ chế và động học thuộc các nghiên cứu trước đây chưa đưa ra được các báo cáo cụ thể

về hoạt tính bắt gốc tự do Do đó, tôi chọn đề tài này “ Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự

do và hoạt tính kháng oxy hoá của 2-Mercaptoimidazole bằng phương pháp tính toán hóa học” để thực hiện nhằm đánh giá khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa

của 2MC và một số dẫn xuất một lần thế.

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và đánh giá hoạt tính kháng oxy hóa của hợpchất 2-Mercaptoimidazole và một số dẫn xuất một lần thế bằng phương pháp tính toánhoá học, qua đó định hướng trong việc ứng dụng các hợp chất có hoạt tính kháng oxy hoátốt vào thực tiễn

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đánh giá khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của Mercaptoimidazole và một số dẫn xuất một lần thế bằng phương pháp tính toán hoá học

2-3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Tiến hành tối ưu hoá cấu trúc và thiết kế những hợp chất được nghiên cứu

- Docking với protein ung thư tiêu biểu; (myeloperoxidae, MPO), enzym(1DNU,1HVY), khảo sát ADMET các dẫn xuất được chọn

- Tính toán các thông số BDE, IE trong pha khí Từ đó đề xuất các hợp chất có khảnăng ứng dụng làm dược phẩm

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tổng quan các bài báo khoa học, tổng quan các lý thuyết về những phương pháphoá tính toán và tìm kiếm những nguồn tài liệu khác có liên quan đến việc nghiên cứu

Sử dụng phần mềm Gaussian, Gaussview, ChemDraw và các phần mềm bổ trợ hoáhọc

Nghiên cứu docking bằng phần mềm AutoDock Tools and Vina

Nghiên cứu ADMET bằng phần mềm ADMETlab 2.0 và Molinspiration

5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN

Mở đầu

Chương 1- Tổng quan tài liệu

Chương 2- Phương pháp nghiên cứu

Chương 3- Kết quả và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Một số khái niệm

Các tham số nhiệt động đặc trưng của các cơ chế kháng oxy hóa: năng lượng phân

ly liên kết (BDE: Bond disociation enthalpy); ái lực proton (PA: Proton Affinity); ái lựcelectron (IE: Ionization Energy)

1.1.1 Năng lượng phân ly liên kết (BDE: Bond disociation enthalpy)

Năng lượng phân ly liên kết (BDE) là năng lượng cần thiết để phá vỡ một liên kếthóa học tạo thành các gốc tự do Năng lượng phân ly liên kết càng lớn thì liên kết càngkhó bị phá vỡ Như vậy năng lượng phân ly liên kết thường được sử dụng như một thước

đo độ bền của một liên kết hóa học và để so sánh các liên kết khác nhau. Lưu ý rằng sựthay đổi enthalpy phụ thuộc vào nhiệt độ. Đơn vị điển hình của năng lượng phân ly liênkết là kJ/mol. Năng lượng phân ly liên kết có thể được đo bằng thực nghiệm bằng phươngpháp đo phổ, nhiệt lượng và điện hóa.[18]

1.1.2 Ái lực proton (PA: Proton Affinity)

Ái lực proton (PA) là phần năng lượng cần thiết để tách một proton ra khỏi phân

tử Ái lực proton càng lớn thì càng khó tách proton ra khỏi phân tử

1.1.3 Ái lực electron (IE: Ionization Energy)

Ái lực electron (IE) là phần năng lượng cần để tách một electron ra khỏi phân tử ởtrạng thái cơ bản Năng lượng ion hóa càng lớn thì electron càng khó bị tách ra khỏi phântử

1.1.4 Drug – likeness

Là một khái niệm định tính được sử dụng trong thiết kế thuốc để chỉ mức độ

“giống thuốc” của một chất Nghiên cứu cho thấy giá trị drug-likeness càng dương, thìphân tử càng có khả năng sử dụng làm thuốc

Thử nghiệm một phân tử giống thuốc có đặc tính như sau.[10]

- Có khả năng hòa tan trong nước và một số chất béo, vì một loại thuốc dùngbằng đường uống cần phải đi qua niêm mạc ruột sau khi được tiêu thụ, đượcvận chuyển trong máu và thấm qua màng tế bào dựa trên lipid để vào bêntrong tế bào (một hợp chất mẫu cho màng tế bào ưa béo là 1 – octanol) vì

vậy logarit của hệ số phân chia octanol – nước được gọi là LogP, được sửdụng để dự đoán độ hòa tan của một loại thuốc uống tiềm năng, hệ số này

có thể được đo bằng thực nghiệm hoặc dự đoán bằng máy tính

- Trọng lượng phân tử càng nhỏ càng tốt vì sự khuếch tán bị ảnh hưởng trựctiếp bởi trọng lượng phân tử, phần lớn các loại thuốc trên thị trường cótrọng lượng phân tử từ 200 – 600 Dalton, và đặc biệt là < 500cùng thuộcnhóm phân tử nhỏ

1.1.5 Drug – score

Là tổng hợp các giá trị giống thuốc bao gồm cLogP, logS, trọng lượng phân tử vàrủi ro độc tính Giá trị drug-score càng lớn thì chất nghiên cứu càng có khả năng sử dụnglàm thuốc Vì vậy, drug-score là một trong những giá trị được sử dụng để đánh giá tiềmnăng tổng thể của hợp chất để đủ điều kiện làm thuốc.[29]

1.2 Chất kháng oxy hóa và vai trò của chúng trong cơ thể

1.2.1 Gốc tự do là gì?

Một nguyên tử sẽ được bao quanh bởi các electron xoay quanh hạt nhân theo cáclớp được gọi là vỏ Mỗi lớp vỏ electron cần được lấp đầy bởi số lượng điện tử thiết lậpsẵn.[25] Khi electron xếp đầy một lớp vỏ, chúng sẽ bắt đầu xếp vào lớp vỏ tiếp theo Nếumột nguyên tử có lớp vỏ ngoài không đầy, chúng có thể liên kết với một nguyên tử khác

để lấy đi electron và sắp xếp vào lớp vỏ ngoài cùng, những nguyên tử như vậy được gọi làgốc tự do

Hình 1.1 Cấu tạo gốc tự do

Vậy, gốc tự do là phân tử chứa electron tự do, gốc tự do có thể là phân tử, nguyên

tử hoặc ion có thể mang điện tích dương, âm hoặc không mang điện và chúng đều giữ vaitrò quan trọng trong hệ thống sinh học Chúng có lớp điện tử ngoài cùng chứa một điện tửkhông ghép cặp (hay gọi là điện tử đơn độc), do có điện tử không ghép cặp ở lớp ngoàicùng nên gốc tự do rất không ổn định, chúng luôn có xu hướng cướp điện tử của cácnguyên tử hay phân tử khác để trở về trạng thái ổn định, nhưng lại biến các nguyên tửhoặc các phân tử này trở thành gốc tự do, làm cho cấu trúc tế bào bị thay đổi và phá vỡ.Nguyên nhân chính của các gốc tự do được sinh ra trong cơ thể chủ yếu từ hai nguồn:

- Nguồn gốc nội sinh được tạo ra thường xuyên do chuỗi hô hấp tế bào.Chuỗi hô hấp tế bào là quá trình chuyển đổi năng lượng cho sự hoạt độngcủa các tế bào, năng lượng được chuyển đổi chủ yếu từ carbohydrate

- Nguồn ngoại sinh do các tác nhân phóng xạ, căng thẳng, mệt mỏi kéo dài,thuốc lá, ô nhiễm môi trường và một số tác nhân khác

1.2.2 Ảnh hưởng của gốc tự do

Hình 1.2 Ảnh hưởng của gốc tự do

Là nhà khoa học Deham Harman người đầu tiên nhận ra gốc tự do gây tổn thươngtrong tế bào là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự lão hoá, đái tháo đường,

alzheimer, bệnh xơ vữa động mạch, lão xuy, ung thư.[8] Có nhiều loại gốc tự do nguyhiểm như: superoxide, ozon, hydrogen peroxid, peroxy lipid, hydroxyl radical gây ranhiều tổn thương tế bào, nó là sản phẩm của việc căng thẳng kéo dài, mệt mỏi, ô nhiễmmôi trường, thuốc lá, tia phóng xạ, thực phẩm có chất màu tổng hợp, hoá chất côngnghiệp, nước có nhiều chlorin.[21]

1.2.3 Chất kháng oxy hóa và vai trò của chúng trong cơ thể

Chất kháng oxy hóa là một phân tử đủ ổn định để tăng một electron cho một gốc tự

do và trung hoà, từ đó làm giảm khả năng gây hại của gốc tự do Những chất kháng oxyhoá này giúp làm chậm hoặc ức chế tổn thương tế bào chủ yếu thông qua tính chất nhặtgốc tự do của chúng Những chất kháng oxy hóa có trọng lượng phân tử thấp có thế tươngtác an toàn với các gốc tự do và chấm dứt phản ứng dây chuyền khi các phân tử quantrọng bị hư hại.[14] Một số chất kháng oxy hoá như glutathione, ubiquinol và acid uricđược tạo ra trong quá trình trao đổi chất trong cơ thế Các chất kháng oxy hoá nhẹ hơnkhác được tìm thấy trong chế độ ăn uống, mặc dù có một số hệ thống enzym bên trong cơthể nhặt các gốc tự do, các

chất kháng oxy hóa nguyên tố

(vitamin) là vitamin E (α

-tocopherol), vitamin C (acid

ascorbic) và B-carotene, cơ

thể không sản xuất các vi

chất dinh dưỡng này, vì vậy

chúng phải được cung cấp

trong chế độ ăn uống Chất

kháng oxy hóa được dùng để

chỉ các chất có khả năng cắt

đứt mạch phản ứng dây

chuyền gốc tự do trong quá trình oxy hóa lipid, như vậy những chất có hoạt tính khángoxy hóa (ANTIOXIDANT) là những chất có khả năng ngăn chặn hoặc làm chậm lại quátrình tổn hại tế bào do quá trình oxy hóa tạo ra Các gốc tự do (FREE RADICAL) là cácchất chủ yếu làm tổn hại đến những tế bào

1.3 Tổng quan về hợp chất 2-Mercaptoimidazole

Hợp chất 2MC (còn được gọi là thioglyoxaline) là một hợp chất hữu cơ có công

thức phân tử là C3H4N2S và khối lượng phân tử là 100,14 g/mol, nó có một nhóm thiol

(-SH) và một nhóm imidazole trong cùng một phân tử Nó bao gồm một vòng 5 nguyên tửvới 3 nguyên tử cacbon, 1 nguyên tử nitơ và 1 nguyên tử lưu huỳnh Trong cấu trúc,nguyên tử lưu huỳnh được liên kết với hai nguyên tử cacbon, trong khi nguyên tử nitơ

được liên kết với một nguyên tử cacbon Ngoài ra 2MC được biết đến với nhiều tên gọi

khác nhau như 2-mercapto-1H-imidazole, imidazole-2thiol, hay thiazolidine-2-thione.[22]

Thioglyoxaline có tính chất hoá học giống với các hợp chất thiol khác Nó có tínhchất oxy hoá yếu và có khả năng hình thành liên kết hydro với các phân tử khác Do cónhóm imidazole trong cấu trúc, thioglyoxaline cũng có tính chất kiềm yếu và có khả năng

tạo phức với các ion kim loại, các nhóm mercapto trong hợp chất 2MC có khả năng tham

gia vào các phản ứng khử, có thể chuyển mất một electron để tạo thành radical (-S•) hoặc

tham gia vào các quá trình trao đổi electron, mặt khác hợp chất 2MC có khả năng tạo

phức với các ion kim loại chuyển tiếp như Cu2+, Ni2+, CO2+ và Hg2+.[13] Tính chất hoá học

của 2MC cho phép nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm công

nghệ dược phẩm, phân tích hoá học và tổng hợp hợp chất hữu cơ phức tạp

Hợp chất 2MC là một chất rắn màu trắng hoặc vàng nhạt điểm nóng chảy của hợp chất này khoảng 154 – 156°C, điểm sôi của 2MC là khoảng 347°C, 2MC có khả năng

hoà tan trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ thông thường.[28]

Hình 1.3 Cấu trúc 2-Mercaptoimidazole (2MC)

Hợp chất này thường được sử dụng trong các nghiên cứu về hoá học và sinh học,đặc biệt là trong việc điều tra các tác động của các chất gây ung thư và các chế phẩm sinhhọc.[2] Ứng dụng của 2MC bao gồm việc sử dụng làm chất trung gian trong tổng hợp hữu

cơ 2MC được sử dụng trong tổng hợp và chức cấu trúc của nhiều hợp chất hữu cơ quan

trọng, nó có thể tham gia vào các phản ứng khử, oxy hoá, chức cấu và tạo liên kết

disulfide, trong ngành dược dùng để tổng hợp và điều chế các dẫn xuất imidazol có hoạttính sinh học [7] Nó có khả năng tác động lên hệ thống thần kinh, hoạt động như chấtchống co giật, chất ức chế men monoamin oxidase và có tiềm năng trong điều trị bệnhParkinson và bệnh Alzheimer, chất vô trùng, chất trợ nhuộm được sử dụng trong ngànhcông nghiệp dệt may dùng để tạo ra các màu sắc khác nhau, chất ức chế tăng trưởng vi

khuẩn, chất ổn định hoá, ngoài ra 2MC còn được sử dụng như một chất phân tích trong

các phương pháp phân tích hoá học, đặc biệt là phân tích kim loại.[26] Nó có khả năng tạophức với các ion kim loại chuyển tiếp và được sử dụng để phát hiện định lượng các kim

loại như đồng, niken, coban và thuỷ ngân trong mẫu Hợp chất 2MC được cung cấp dưới

dạng thuốc thử từ aldrich và được sử dụng mà không cần thanh lọc thêm.[19]

Có một số quá trình sinh học cơ bản bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các gốc tự

do được tạo ra khi chứa lưu huỳnh nội sinh hoặc ngoại sinh bị phá vỡ.[3] Ovothiol vàmercaptoimidazole khác dẫn xuất cung cấp bảo vệ hoá học chống lại stress oxy hoá vàsinh ung thư.[6,15] Các chức năng của thiol hoặc thione có thể được thế vào một vòngimidazole.[4] Điều này dẫn đến sự hình thành các dẫn xuất mercaptoimidazole.[23] 2-mercaptoimidazole nói riêng và các dẫn xuất của nó đã chứng minh mức độ đáng kể củakhả năng bắt gốc tự do tương đương với của ovothiol và đã được xác định là một nhómchất chống oxy hoá có khả năng hữu ích.[20,27] 2MC có hoạt động bắt gốc tự do của nó

chống lại các gốc tự do điển hình như HO• và HOO• Các tính toán chỉ ra rằng 2MC có

thể thể hiện hoạt tính chống HO• trong cả môi trường lipid và nước (tổng thể lần lượt là1,05×1010 và 2,07×1010 M−1 s−1) Trong lipid khả năng bắt gốc HOO• của 2MC nhanh hơn

so với khả năng bắt gốc tự nhiên thông thường Hoạt tính bắt gốc tự do hydroperoxyl của

2MC lớn hơn so với các chất chống oxy hóa tự nhiên bao gồm, axit ascorbic, trolox và

trans-resveratrol trong môi trường lipid Do đó, 2MC là một hợp chất có khả năng bắt gốc

tự do mạnh trong môi trường không phân cực Tuy nhiên, hoạt tính kháng oxy hóa của

các dẫn xuất 2MC chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ.

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nội dung nghiên cứu

- Tối ưu hoá cấu trúc 2MC.

- Thiết kế một số dẫn xuất của 2MC qua thay thế nguyên tử hydrogen ở một

số vị trí bằng gốc khác (NO2, CN, CF3, COOH, F, Cl, Br, CHC, C6H5,CH=CH, C2H5, OH, NH2, NMe2)

- Tiến hành docking với protein ung thư tiêu biểu để xem các dẫn xuất mộtlần thế tương tác với protein như thế nào và so sánh với chất gốc

- Khảo sát ADMET để đánh giá tính chất dược lý của các dẫn xuất một lầnthế

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp bán thực nghiệm

Phương pháp tính toán bán thực nghiệm như AM1, ZINDO/1, ZINDO/s, PM3,PM6,…được sử dụng trong các bộ phần mềm MOPAC, AMPAC, HyperChem vàGaussian Các phương thức này sử dụng các thông số đã được rút ra từ các dữ liệu thựcnghiệm nhằm để đơn giản hoá việc tính toán Phương thức này thực hiện tương đốinhanh, cung cấp những kết quả định lượng có thể chấp nhận được và những dự đoán địnhlượng khá chính xác về năng lượng và cấu trúc cho hệ trong điều kiện là các thông số phùhợp tốt với hệ khảo sát.[24]

Đặc điểm của phương pháp bán thực nghiệm:[24]

- Dùng cho các hệ phân tử lớn, là các hệ không thể dùng các phương pháp vớiyêu cầu khắt khe về cấu hình máy tính và cần nhiều thời gian để tính toán

- Dùng cho các phân tử ở trạng thái cơ bản, là các phân tử mà dựa vào đó cácphương pháp bán thực nghiệm đã được tham số hóa

- Dùng để tính sơ bộ đối với các hệ phân tử lớn Thí dụ, có thể tối ưu hóabằng phương pháp bán thực nghiệm trên một hệ phân tử lớn để có được cấutrúc dùng làm cấu trúc bắt đầu cho phép tính năng lượng điểm đơn.

- Để nhận được những thông tin định tính về một phân tử như các orbital,điện tích, tần số dao động

Trong tất cả các trường hợp, các phương pháp bán thực nghiệm có thể dùng rấtthành công trong việc dự đoán năng lượng ion hóa, năng lượng cấu dạng, hiệu ứng nhómthế… một cách định tính hay định lượng

Trong nghiên cứu lần này, cấu trúc phân tử được thiết kế trên phần mềmGaussView và thực hiện tính toán bằng phần mềm Gaussian với phương pháp PM6

2.2.2 Tối ưu hoá cấu trúc

Để thực hiện nghiên cứu tính toán đề tài, đầu tiên cần tối ưu hoá cấu trúc Quátrình này giúp nghiên cứu các hiện tượng bằng các tính toán trên máy tính thay cho việckhảo sát thực nghiệm

Các cấu trúc phân tử được thiết kế trên phần mềm GaussView và thực hiện quátrình tính toán học để tối ưu hoá cấu trúc bằng phần mềm Gaussian Phương pháp GroundState PM6 là phương pháp cơ bản nhất trong việc tính toán tối ưu hoá để thu thập dữ liệucủa các thông số liên quan trên máy tính Phương pháp này cho kết quả tương đối chínhxác và có thể thực hiện trên các hệ máy tính có cấu hình thấp như laptop Vì vậy, phươngpháp PM6 đã được sử dụng trong nghiên cứu này

Quá trình tối ưu hoá được thực hiện như sau: đầu tiên mở file thiết lập các cấu trúc

2MC bằng GaussView, chuột phải chọn File  Calculate  Ctrl + G sẽ xuất hiện bảng

như Hình 2.2  Job type chọn Opt + Freq  Method chọn PM6 và charge/mult 0 1 

Submit Sau đó được tính toán bằng Gaussian tuỳ vào cấu hình máy tính mà thời gian đểhoàn thành một file là khác nhau Sau khi chạy thành công thu được file thứ 2 với đuôi

Log, tiến hành mở file 2 bằng Notepad Hình 2.3 để lấy giá trị thermal correction to

enthalpy (TCE) và HF Tiếp tục tính toán các thông số BDE, PA, IE

Hình 2.1 Cửa sổ làm việc của GaussView

Hình 2.2 Gaussian Calculate Setup

Hình 2.3 Cửa sổ notepad

2.2.3 Phương pháp docking

Cấu trúc hình học các ligand được tối ưu hóa bằng phương pháp PM6 Cấu trúc ray của protein đích lấy từ Protein Data Bank (https://www.rcsb.org/) làm protein mụctiêu của ligand Sau đó thực hiện docking với AutoDock Vina để tìm ra vùng tương táccủa ligand lên protein đích Từ đó, phân tích tương tác của ligand bằng phần mềmDiscovery Studio Visualizer cho nhận hydrogen, vùng tương tác kị nước, tương tác pi-stacking,… với hướng hoạt động các amino acid của protein

X-Hình 2.4 Phần mềm Autodocktools

Docking được tiến hành bằng cách chuẩn bị file ligand và protein có định dạng

PDB, sau đó lần lượt đưa chúng vào phần mềm AutoDockTools và xử lý chúng Đầu tiên

sẽ thực hiện việc loại bỏ nước và thêm các hydrogens vào protein bằng cách ấn vào nút

Edit trên phần mềm và chọn Delete Water để loại bỏ nước, tiếp đến vẫn trong mục Edit

chọn lần lượt Hydrogens  Add, một hộp thoại mới có tên Polar Only hiện ra và chọn

OK để tiến hành thêm các hydrogens Khi đã xử lý xong các yếu tố, tiến hành trích xuất

protein đã xử lý sang định dạng PDBQT để chuẩn bị cho các bước tiếp theo Đối với ligand, cũng thực hiện việc trích xuất từ định dạng PDB sang PDBQT bằng cách kéo ligand (PDB) vào AutoDockTools, sau đó tiến hành khai báo dữ liệu nhập cho ligand bằng cách chọn Ligand  Input  Choose  ligand  Select Molecule  OK, tiếp theo tiến hành xuất sang PDBQT bằng cách chọn Ligand  Output  Save as PDBQT.

Khi đã trích xuất xong các file PDB sang PDBQT, tiếp tục thực hiện việc phân vùngtương tác giữa ligand với protein bằng cách cho 2 file ligand và protein PDBQT đã trích

xuất vào AutoDockTools, sau đó lần lượt chọn Grid  Macromolecule  Choose 

protein  Select Molecule  NO  OK  OK, các thông số Grid Box giữ nguyên giá

trị mặc định, cụ thể giá trị spacing là 0,375 và npts là (40, 40, 40) Trích xuất các thông số

Grid sang dạng txt bằng cách chọn File trong hộp thoại Grid Option  Output and

dimensions file  Save Việc cuối cùng thực hiện trước khi tiến hành docking bằng

AutoDock Vina là tạo một file text cấu hình với tên config.txt

Việc cuối cùng thực hiện là tiến hành chạy AutoDock Vina để gắn kết các phân tửlại với nhau và cho ra kết quả affinity hay năng lượng tương tác Quá trình này được thực

hiện bằng cách chạy console có sẵn trên máy tính, đó là Command Prompt Trong

console này, thực hiện việc dẫn liên kết đến thư mục chứa ligand và protein, sau đó dẫnliên kết đến vị trí phần mềm AutoDock Vina và tiến hành chờ kết quả phân tích

+ Khối lượng phân tử (MW)  500 dalton

+ Hệ số phân bố octanol/nước (logP)  5

+ Không nhiều hơn 5 hydro có thể tham gia liên kết hydro, HBD - hydrogen bond donors (số lượng các nhóm -NH và -OH), HBD  5

+ Không nhiều hơn 10 nguyên tử có độ âm điện lớn có thể tham gia liên kết hydro,HBA - hydrogen bond acceptors (bao gồm nguyên tử oxy và nito), HBA  5

Ngoài ra ta có xét quy tắc Lipinski từ các thông số tính được bằng phần mềmMolinspiration (http://www.molinspiration.com) Độc tính của các hợp chất cũng đượcnghiên cứu bằng cách sử dụng công cụ ADMETlab 2.0 Ngoài ra, drug-likeness và drug-score cũng được tính toán cho các hợp chất bằng cách sử dụng phần mềm Osiris PropertyExplorer (PEO).[9]

Hình 2.5 Giao diện phần mềm Molinspiration

Hình 2.6 Giao diện phần mềm Osiris Property Explorer (PEO)

ADMET được tính toán trên ADMETlab 2.0 bằng cách sử dụng chức năngADMET Evaluation hoặc ADMET Screening Chức năng ADMET Evaluation cho phép

vẽ cấu trúc trực tiếp trên web hoặc sử dụng chuỗi SMILES đã có trước đó, trong khiADMET Screening lại sử dụng cấu trúc trực tiếp đã được thiết kế sẵn, đối vớiMolinspiration cũng làm điều tương tự Khi đã có cấu trúc của hợp chất nghiên cứu,chúng tôi tiến hành submit lên hệ thống và ngay sau đó hệ thống sẽ trả về rất nhiều cácthông số tính toán được, tuy nhiên chúng tôi chỉ quan tâm đến các thông số chính và liênquan đến quy tắc Lipinski là nHA, nHD, TPSA, LogP, Molecular Weight, H-HT và AmesToxicity Thông số drug-score và drug-likeness cũng được lấy từ PEO bằng cách sử dụngchuỗi SMILES hoặc vẽ trực tiếp trên phần mềm.

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Cấu trúc của các chất

Tiến hành quá trình tối ưu hoá cấu trúc sẽ được tính toán bằng phương pháp PM6bằng phần mềm Gaussian

Để thiết kế được các hợp chất ban đầu (Hình 3.1, Hình 3.2, Hình 3.3) và tiến hành

quá trình tối ưu hoá cấu trúc thì cần phải sử dụng phần mềm Gaussian

Hình 3.1 Các dẫn xuất 2MC ở vị trí 1

Hình 3.2 Các dẫn xuất 2MC ở vị trí 4

Hình 3.3 Các dẫn xuất 2MC ở vị trí 5

Việc thực hiện tối ưu hoá cấu trúc có mục đích là:

+ Đảm bảo các quá trình sau không bị sai sót, có thông tin chính xác về các phântử

+ Có cấu trúc năng lượng thấp, trạng thái bền, đưa cấu trúc về gần giống với cấutrúc tự nhiên

Nhập dữ liệu và tính toán bằng phương pháp PM6 trong pha khí với từ khóa

“opt=(calcfc,noeigen) freq= pm6 ” trong input file Sau khi submit việc tối ưu hóa sẽđược thực hiện bằng phần mềm Gaussian Kết quả sẽ được xuất file dưới dạng LOG và

kiểm tra lại bằng phần mềm GaussView sẽ cho cấu tạo như Hình 3.4 và Hình 3.6, trong khi đó tọa độ Descartes của một số dẫn xuất tiêu biểu được trình bày trong Bảng 3.2 và

phần phụ lục

Hình 3.4 Cấu trúc 2MC trước khi được tối ưu hoá

Hình 3.5 Cấu trúc 2MC sau khi được tối ưu hoá

Độ dài liên kết giữa hai hạt nhân của các nguyên tử gần và tương tác với nhau,chiều dài liên kết ở trên phụ thuộc vào bậc liên kết, các bậc liên kết là số liên kết tạo thànhgiữa hai nguyên tử tham gia liên kết, sau khi tối ưu hoá so sánh độ dài liên kết và góc liên

kết của hợp chất được liệt kê ở Bảng 3.1.

Từ Bảng 3.1 cho thấy có sự thay đổi giữa độ dài liên kết và góc liên kết giữa phân

tử ban đầu và phân tử đã tối ưu hoá Trong đó độ dài liên kết C – H, N – H tăng lên khi tối

ưu hoá, trong khi đó độ dài liên kết S – H giảm xuống Góc liên kết  N – C – S và  C –

S – H có sự thay đổi lớn khi tối ưu hoá, trong khi đó sự thay đổi trên các góc còn lại làkhông đáng kể

Bảng 3.1 Độ dài liên kết và góc liên kết của hợp chất 2MC

(T)

Sau opt (S)

Sai số (S – T)