tóm tắt luận án GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHẢN ỨNG ESTERASE BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA TIN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TỐNG THỊ THU CÚC GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHẢN ỨNG ESTERASE BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA TIN Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 60.44.01.19 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2015 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hữu Thọ Trường Đại học KHTN-ĐHQGHN; GS. TS. Lâm Ngọc Thiềm Trường Đại học KHTN-ĐHQGHN. Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội 1 MỞ ĐẦU Luận án nghiên cứu một trong những phản ứng quan trọng trong cơ thể sống: phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ enzym acetylcholinesterase. Phản ứng được mô phỏng bằng các phương pháp hóa tin để làm rõ những yếu tố xác định hoạt tính của enzym. Lý do lựa chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự hoàn thiện của các phương pháp tính hóa lượng tử, sự xâm nhập của hóa học lý thuyết vào lĩnh vực xúc tác enzym cũng ngày càng phát triển. Nghiên cứu hệ xúc tác enzym để làm sáng tỏ bản chất hóa học của các phản ứng trong cơ thể sống đang được nhiều nhà khoa học quan tâm. Một khi các phương pháp lý thuyết thành công trong lĩnh vực này sẽ định hướng cho việc điều chỉnh, can thiệp vào các quá trình diễn ra trong cơ thể sống trước khi thử nghiệm trực tiếp trên cơ thể, hạn chế được rủi ro, nguy hiểm. Đến nay, các phương pháp lý thuyết nghiên cứu hệ xúc tác enzym đang trong quá trình hoàn thiện, vì vậy việc tiếp cận để cải tiến các phương pháp này là một hướng phát triển được ưu tiên vì nó sẽ tạo ra một bước nhảy vọt trong hóa lý thuyết, đưa lý thuyết tiến gần hơn đến thực nghiệm. Trong nhóm esterase, acetylcholinesterase là enzym có hoạt tính cao và tham gia trực tiếp vào quá trình truyền dẫn xung thần kinh. Bằng thực nghiệm, tác giả Harry C. Froede và Irwin B. Wilson đã sử dụng phương pháp nguyên tử đánh dấu 3 H để khảo sát cơ chế của phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ xúc tác acetylcholinesterase và đề xuất cơ chế acylenzym. Với mong muốn góp phần làm sáng tỏ cơ chế đã được đề xuất từ thực nghiệm, chúng tôi sử dụng phương pháp hóa tin trong đề tài "Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng esterase bằng phương pháp hóa tin". 2 Mục đích của luận án Mục đích của luận án là tập trung làm sáng tỏ cơ chế xúc tác của một nhóm enzym xúc tác cho phản ứng thủy phân - enzym esterase, cụ thể là enzym acetylcholinesterase bằng các phương pháp hóa tin. - Nghiên cứu cơ chế giai đoạn acyl hóa của phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ xúc tác enzym ở cá đuối điện và ở người (theo cơ chế acylenzym) nhằm làm rõ các yếu tố quyết định hoạt tính xúc tác của enzym. - Nghiên cứu ảnh hưởng của một số chất ức chế acetylcholinesterase. Đối tượng Đối tượng nghiên cứu của luận án là phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ xúc tác là enzym acetylcholinesterase (thuộc nhóm esterase) ở cá đuối điện và ở người. Tác giả lựa chọn acetylcholinesterase ở cá đuối điện là enzym có hoạt tính đặc biệt cao và acetylcholinesterase ở người để định hướng cho những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến lĩnh vực hóa dược. Phạm vi nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp hóa tin để làm rõ cơ chế phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ xúc tác enzym, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của một số chất đến hoạt tính của enzym. Những chất này đã từng được sử dụng làm thuốc điều trị các chứng bệnh liên quan đến rối loạn truyền dẫn xung thần kinh. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Về mặt khoa học: Những kết quả thu được từ các số liệu tính toán sẽ góp phần làm tăng thêm vốn hiểu biết về cơ chế của các phản ứng sinh học. 3 - Về mặt thực tiễn: Những đặc điểm biến đổi về mặt cấu trúc và năng lượng phản ứng có thể gợi mở cho những ứng dụng mô phỏng sinh học và điều chỉnh, can thiệp vào các quá trình xảy ra trong cơ thể sinh vật. Những điểm mới của luận án - Trong luận án, tác giả đã sử dụng các phương pháp hóa tin để khảo sát chi tiết phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ enzym ở cá đuối điện và ở người, phân tích, so sánh phản ứng ở hai trường hợp kể trên để phân định vai trò của các yếu tố cấu trúc đối với hoạt tính của enzym và chỉ rõ quá trình tạo phức với enzym đã hình thành. - Đánh giá sơ bộ ảnh hưởng của một số chất ức chế đến phản ứng bằng kĩ thuật protein docking và phương pháp QM/MM. Kết quả cho thấy rằng 6 chất được khảo sát đều có khả năng neo đậu tại hốc phản ứng để thực hiện chức năng ức chế của mình. - Từ các số liệu thu được bằng các phương pháp hóa tin đã khẳng định lại cơ chế đề xuất từ thực nghiệm là có cơ sở. Bố cục của luận án MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHƯƠNG 2. NGUỒN DỮ LIỆU VÀ CÔNG CỤ TÍNH TOÁN CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan đối tượng nghiên cứu Esterase là nhóm enzym xúc tác cho quá trình thủy phân nhóm chức este. Acetylcholinesterase là enzym thuộc nhóm esterase, xúc tác cho quá trình thủy phân acetylcholine, một chất dẫn truyền xung thần kinh. Acetylcholine Choline 1.1.1. Cấu trúc Acetylcholinesterase ở các loài khác nhau có cấu trúc khác nhau. Luận án nghiên cứu enzym ở hai loài: cá đuối điện và ở người. a) Cấu trúc bậc 1: Ở trạng thái hoạt hóa, phân tử acetylcholinesterase ở cá đuối điện có 543 aminoaxit, phân tử acetylcholinesterase ở người có 583 aminoaxit. Trên cấu trúc bậc 1, ít thấy sự giống nhau giữa hai enzym. Tâm xúc tác trên enzym ở cá đuối điện là Ser200, tâm xúc tác trên enzym ở người là Ser203. b) Cấu trúc bậc 2: Cấu trúc bậc 2 của acetylcholinesterase ở cá đuối điện và ở người có sự tương đồng về trật tự các đoạn xoắn α, gấp β, các cầu nối sunfua. c) Cấu trúc bậc 3: Trong cả hai trường hợp, tâm xúc tác Ser nằm ở đáy một hốc sâu trên phân tử enzym (hình 1.3). 5 Hình 1.3. Vị trí tâm xúc tác trên phân tử acetylcholinesterase Trong cả 2 trường hợp, hốc phản ứng được bao quanh bởi các aminoaxit có nhánh là vòng thơm. d) Cấu trúc bậc 4: Cấu trúc bậc 4 của acetylcholinesterase có thể gồm 1, 2, 4, 8, 12 đơn vị cấu trúc bậc 3 và các thành phần khác như glycolipid. Tuy vậy, hoạt tính xúc tác của mỗi đơn vị acetylcholinesterase trong các dạng cấu trúc này tương đương nhau. Do đó, trong luận án enzym được mô phngr ở dạng monome. 1.1.2. Cơ chế của phản ứng xúc tác enzym Với acetylcholinesterase, kết quả thực nghiệm xác nhận sự tạo phức giữa enzym và cơ chất. Cơ chất trước tiên phản ứng với tâm xúc tác nằm trên Ser200 ở cá đuối điện hoặc Ser203 ở người để tách ra choline, sau đó tâm xúc tác đã bị acetyl hóa sẽ tái tạo lại bằng cách phản ứng với phân tử nước. 6 1.1.3. Một số chất ức chế đối với acetylcholinesterase Donepezil Galantamin Tacrin Neostigmin Physostigmin Rivastigmin 1.2. Tình hình nghiên cứu Cấu trúc của enzym đã được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X và được lưu trũ trong ngân hàng cơ sở dữ liệu protein. Nhiều chất ức chế acetylcholinesterase đã được thử nghiệm lâm sàng, và đưa vào sử dụng để điều trị các chứng bệnh như Alzheimer, Parkinson, tăng nhãn áp, … trong đó có các chất đã nêu ở phần 1.1.3. Harry C. Froede và Irwin B. Wilson bằng thực nghiệm đã đưa ra bằng chứng về cơ chế acylenzym với Ser200/203 đóng vai trò tác nhân nucleophin và His440/447 đóng vai trò xúc tác axit – bazơ. 1.4. Tổng quan phương pháp nghiên cứu 1.4.1. Phương pháp cơ học phân tử Trong phương pháp cơ học phân tử, phân tử được mô hình như hệ các quả cầu và lò xo, gồm các nguyên tử được giữ với nhau bằng các liên kết. Các nguyên tử được xử lí theo cơ học cổ điển. Năng lượng điện tử được mô tả dưới dạng motọ hàm tham số của các tọa độ hạt nhân. Các tham số này được lấy phù hợp với thực nghiệm hay các phương pháp tính toán mức cao hơn. 7 1.4.2. Phương pháp phiếm hàm mật độ Phương pháp phiếm hàm mật độ dựa vào định lý Hohenberg – Kohn khẳng định tồn tại tương ứng một – một giữa mật độ electron và năng lượng của hệ. Năng lượng được biểu diễn dưới dạng một phiếm hàm của mật độ electron. Phiếm hàm này được đưa vào để giải phương trình Schrodinger. 1.4.3. Phương pháp kết hợp cơ học lượng tử - cơ học phân tử (QM/MM) Trong phương pháp QM/MM, phần trực tiếp tham gia vào phản ứng hóa học (có sự hình thành, phá vỡ liên kết) được tính bằng phương pháp cơ học lượng tử để đảm bảo độ chính xác, phần còn lại được tính bằng phương pháp cơ học phân tử để tiết kiệm thời gian tính toán. 1.4.4. Kĩ thuật protein docking Protein docking là kĩ thuật mô hình hóa nhằm dự đoán vị trí và cấu hình thuận lợi mà phân tử cơ chất có thể gắn kết trên phân tử protein. Phân tử cơ chất được cho dịch chuyển trong không gian bao quanh phân tử protein để tìm vị trí có năng lượng gắn kết âm nhất sử dụng các hàm đánh giá và phương pháp tìm kiếm cực trị toàn cục khác nhau. 8 CHƯƠNG 2. NGUỒN DỮ LIỆU VÀ CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU 2.1. Nguồn dữ liệu Cấu trúc enzym ở cá đuối điện và ở người được lấy từ ngân hàng cơ sở dữ liệu protein, với mã lần lượt là 1EVE và 4EY4. Các aminoaxit bị thiếu được bổ sung dùng phần mềm Acelrys Discovery Studio 4.0 Visualizer và GaussView 5.0.8 và tối ưu lại dùng trường lực Amber. 2.2. AutoDock Vina 1.1.1 AutoDock Vina được dùng để khảo sát docking. Trong AutoDock Vina các thông số của hàm đánh giá được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngân hàng cơ sở dữ liệu PDB. Thuật toán tìm kiếm được sử dụng là lặp đi lặp lại các bước đột biến và tối ưu cục bộ theo tiêu chuẩn Metropolis. 2.3. Gaussian 09W và GaussView 5.0.8 Gaussian là phần mềm tính toán hóa học được sử dụng rộng rãi, kết hợp với GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa. Các tính toán QM/MM trong luận án được thực hiện trên Gaussian 09W. Phân vùng QM bao gồm phân tử acetylcholine, tâm xúc tác Ser200 ở cá đuối điện hoặc Ser203 ở người, nhánh của His440 ở cá đuối điện hoặc His447 ở người, phần còn lại của phân tử enzym được tính theo phương pháp MM (hình 2.4). [...]... phẩm phản ứng khuếch tán ra khỏi hốc phản ứng 22 KẾT LUẬN Trong luận án, bằng các phương pháp hóa tin, nghiên cứu sinh đã giải quyết được các vấn đề sau: 1 Góp phần nghiên cứu phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ enzym acetylcholinesterase ở cá đuối điện và ở người (giai đoạn acyl hóa) : khảo sát tiến trình phản ứng và tính năng lượng hoạt hóa trong mỗi trường hợp Kết quả cho thấy năng lượng hoạt hóa trong... NHỮNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Trên cơ sở những kết quả đã đạt được của luận án, nghiên cứu sinh kiến nghị một số hướng nghiên cứu tiếp theo: - Cải thiện phương pháp tính - Khảo sát chi tiết ảnh hưởng của các chất ức chế - Khảo sát giai đoạn deacyl hóa của phản ứng, giai đoạn khuếch tán cơ chất vào hốc phản ứng, khuếch tán sản phẩm ra khỏi hốc phản ứng - Kết hợp với thực nghiệm trong lĩnh vực hóa dược,... khả năng gắn kết thuận lợi tại 23 hốc phản ứng ngăn cản acetylcholine đi vào hốc phản ứng và cản trở sự khuếch tán của sản phẩm ra khỏi hốc phản ứng 4 Trên cơ sở các số liệu thu được từ phương pháp tính hóa tin như sự biến đổi cấu trúc, năng lượng của giai đoạn acyl hóa trong phản ứng thủy phân acetylcholine với sự xúc tác của acetylcholinesterase đã xác lập lại cơ chế được đề xuất từ thực nghiệm: acetylcholine... hốc phản ứng với mức năng lượng -7.8 kcal/mol Ở người, Rivastigmin gắn kết thuận lợi trong hốc phản ứng, hõm β, γ Mức năng lượng gắn kết âm nhất khi Rivastigmin trong hốc phản ứng và bằng 6.9 kcal/mol 3.3.7 Ảnh hưởng của các chất ức chế khi gắn kết ngoài hốc phản ứng Các chất ức chế được đưa vào trạng thái phức Tp_INT2 và Ho_INT2 với cấu hình gắn kết thuận lợi ngoài hốc phản ứng và tối ưu lại bằng phương. .. acetylcholinesterase ở cá đuối điện và ở người”, Tạp chí Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, 30(6S), pp 7-12 4 Tống Thị Thu Cúc, Nguyễn Hữu Thọ, Lâm Ngọc Thiềm (2014), “Khảo sát cơ chế phản ứng thủy phân axetylcholin nhờ enzym ở cá đuối điện bằng phương pháp QM/MM”, Tạp chí Hóa học, 52(6), pp 789-793 5 Nguyễn Hữu Thọ, Tống Thị Thu Cúc (2015), “ Nghiên cứu lý thuyết hoạt tính xúc tác của acetylcholinesterase... amoni bậc bốn của acetylcholine để cơ chất có định hướng thuận lợi trên tâm xúc tác; + Phần còn lại của acetylcholinesterase đóng vai trò làm bộ khung, đồng thời tạo trường điện tích ổn định cấu trúc phức và quyết định mức độ phản ứng 3 Đánh giá sơ bộ ảnh hưởng của một số chất ức chế (bao gồm Donepezil, Galantamin, Tacrin, Neostigmin, Physostigmin, Rivastigmin) đến phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ... độ phản ứng 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của một số chất đến acetylcholinesterase Các chất được khảo sát bao gồm Donepezil, Galantamin, Tacrin, Neostigmin, Physostigmin và Rivastigmin Các phân tử của 6 chất được tối ưu bằng phương pháp DFT, phiếm hàm B3LYP, bộ hàm cơ sở 6-31G(d), sau đó được đưa vào khảo sát docking 3.3.1 Kết quả docking của Donepezil Donepezil gắn kết thuận lợi tại hốc phản ứng. .. pháp QM/MM (EE) Kết quả cho thấy cấu trúc phức vẫn ổn định khi có các chất ức chế gắn kết bên ngoài hốc phản ứng Từ những khảo sát sơ bộ ở trên có thể thấy ảnh hưởng chủ yếu của Donepezil, Galantamin, Tacrin, Neostigmin, Physostigmin và Rivastigmin là 6 chất này có khả năng gắn kết thuận lợi tại hốc phản ứng, ngăn cản acetylcholine đi vào hốc phản ứng để tiếp cận tâm xúc tác hoặc cản trở sản phẩm phản. .. hốc phản ứng và hõm α (hình 3.52) Năng lượng gắn kết âm nhất khi Donepezil nằm trong hốc phản ứng với giá trị là -9.4 kcal/mol 20 Hình 3.52 Các vị trí gắn kết thuận lợi của Donepezil lên acetylcholinesterase ở người 3.3.2 Kết quả docking của Galantamin Galantamin gắn kết thuận lợi tại hốc phản ứng của acetylcholinesterase ở cá đuối điện với mức năng lượng gắn kết -9.7 kcal/mol Với acetylcholinesterase... thái gắn kết thuận lợi tại hốc phản ứng và các hõm α, β, γ Năng lượng gắn kết thấp nhất với Galantamin trong hốc phản ứng là 9.0 kcal/mol 3.3.3 Kết quả docking của Tacrin Tacrin gắn kết thuận lợi trong hốc phản ứng của enzym ở cá đuối điện với mức năng lượng -8.6 kcal/mol Ở người, mức năng lượng gắn kết thấp nhất của Tacrin là -8.7 kcal/mol khi Tacrin nằm trong hốc phản ứng Tacrin còn gắn kết thuận lợi . GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHẢN ỨNG ESTERASE BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA TIN Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 60.44.01.19 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC . xuất cơ chế acylenzym. Với mong muốn góp phần làm sáng tỏ cơ chế đã được đề xuất từ thực nghiệm, chúng tôi sử dụng phương pháp hóa tin trong đề tài " ;Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng esterase. esterase bằng phương pháp hóa tin& quot;. 2 Mục đích của luận án Mục đích của luận án là tập trung làm sáng tỏ cơ chế xúc tác của một nhóm enzym xúc tác cho phản ứng thủy phân - enzym esterase,