Khảo sát mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất β-lactam bằng phương pháp hóa tính toán sử dụng kỹ thuật protein docking

Khảo sát mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất β-lactam bằng phương pháp hóa tính toán với kỹ thuật protein docking. Qua đó, thực hiện tiên lượng, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả ức chế enzyme, góp phần định hướng cho các nhà nghiên cứu tương lai xây dựng mô hình chất ức chế hiệu quả hơn.

Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ Số * 2016 Nghiên cứu Y học KHẢO SÁT MƠ HÌNH ỨC CHẾ ENZYME ACETYLCHOLINESTERASE BỞI CÁC DẪN XUẤT β-LACTAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HĨA TÍNH TỐN SỬ DỤNG KỸ THUẬT PROTEIN DOCKING Nguyễn Trương Công Minh*, Lê Xuân Trường*, Lê Thị Xuân Thảo* TÓM TẮT Mở đầu: Acetylcholinesterase enzyme thủy giải acetylcholine nội sinh, có vai trò chất dẫn truyền xung thần kinh hệ thần kinh trung ương ngoại biên Trong chất ức chế Acetylcholinesterase, nhóm dẫn xuất β-lactam nghiên cứu tổng hợp cho thấy có nhiều hoạt tính sinh học vượt trội đặc biệt khả kháng khuẩn, kháng viêm, ngăn ngừa ung thư Khảo sát mơ hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase dẫn xuất mở triển vọng định hướng cho nhiều nghiên cứu, ứng dụng tương lai nhằm mục đích hỗ trợ điều trị có hiệu biến chứng thần kinh mắc phải Mục tiêu: Khảo sát mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase dẫn xuất β-lactam phương pháp hóa tính tốn với kỹ thuật protein docking Qua đó, thực tiên lượng, đánh giá yếu tố ảnh hưởng tới hiệu ức chế enzyme, góp phần định hướng cho nhà nghiên cứu tương lai xây dựng mơ hình chất ức chế hiệu Phương pháp nghiên cứu: Xây dựng tối ưu hóa cấu trúc 11 dẫn xuất β-lactam chất ức chế so sánh Donepezil, sử dụng phần mềm Hyperchem 8.0.10; thiết lập mơ hình tương tác ức chế với enzyme Acetylcholinesterase, đồng thời khảo sát tương quan lượng gắn kết enzyme với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50, sử dụng phần mềm Autodock – Autodock vina Statgraphics Centurion XVI Đánh giá yếu tố ảnh hưởng mặt cấu trúc đến hiệu ức chế enzyme Kết quả: Thiết lập mơ hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase dẫn xuất β-lactam chất ức chế so sánh Donepezil, bao gồm lực tương tác chủ yếu là: tương tác van der Waals, tương tác tĩnh điện, tương tác π – π liên kết Hydrogen Trong đó, tương tác tĩnh điện tương tác π – π chất ức chế với đơn vị amino acid thuộc enzyme Acetylcholinesterase có vai trò quan trọng, định hiệu ức chế enzyme Tương tác π – π lớn, với hệ thống vòng thơm nhiều tương tác tĩnh điện mạnh, với hệ thống nhóm vị trí para có độ âm điện cao xu hướng lượng tương tác ức chế nồng độ ức chế IC50 thấp Kết luận: Hoạt tính ức chế enzyme Acetylcholinesterase dẫn xuất có tương quan mật thiết với yếu tố ảnh hưởng mặt cấu trúc bao gồm: hệ thống vòng thơm nhóm thế, chi phối hiệu lực tương tác tĩnh điện tương tác π – π chất ức chế với đơn vị amino acid thuộc enzyme Cấu trúc chất ức chế có hệ thống vòng thơm nhiều với nhóm vị trí para có độ âm điện cao xu hướng có hoạt tính ức chế enzyme lớn Từ khóa: Acetylcholinesterase, β-lactam, Protein docking, Hóa tính tốn ABSTRACT MODELING INHIBITION OF ACETYLCHOLINESTERASE BY β-LACTAM DERIVATIVES USING COMPUTATIONAL CHEMISTRY METHODS WITH PROTEIN DOCKING Nguyen Truong Cong Minh, Le Xuan Truong, Le Thi Xuan Thao * Y Hoc TP Ho Chi Minh * Vol 20 - Supplement of No - 2016: 59 - 66 *Bộ môn Hóa sinh, ĐH Y Dược TP Hồ Chí Minh Tác giả liên lạc : ThS Nguyễn Trương Công Minh ĐT: 01269635368 Email: congminh.ngtruong@gmail.com Khoa học Cơ 59 Nghiên cứu Y học Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ Số * 2016 Background: Acetylcholinesterase is a hydrolytic enzyme of endogenous acetylcholine, acting as neurotransmitters in the central and periphery nervous system In a group of the enzyme inhibitors, β-lactam derivatives are synthesized showing more superior biological activity, especially antibacterial, anti-inflammatory, anti-cancer Modeling inhibition of acetylcholinesterase by these derivatives should open up prospects for more research oriented, future applications aimed at supporting the effective treatment of neurological complications Objects: Setting model of acetylcholinesterase inhibition by β-lactam derivatives by computational chemistry methods and protein docking to evaluate factors of affecting enzyme inhibitory effect, contributing to the orientation for future researchers in order to build more effective inhibitor models Methods: Building and optimizing the structures of eleven β-lactam derivatives and Donepezil, which is the comparative inhibitor, using HyperChem 8.0.10 software; Modeling interactions with acetylcholinesterase and examining the relationship between docking energy and the experiment enzyme inhibitory concentration IC50, using Autodock – Autodock vina and Statgraphics Centurion XVI softwares; Evaluating of structural factors of affecting efficiency of enzyme inhibition Results: The result model of acetylcholinesterase inhibition by β-lactam derivatives and Donepezil, the comparative inhibitor, shows the interaction forces including van der Waals interaction, electrostatic interaction, π - π interaction and hydrogen binding In particular, the electrostatic interaction and π - π interaction between inhibitors and amino acids structuring the acetylcholinesterase has an important role, affecting an effective of the enzyme inhibition The stronger the π - π interaction is – with the structural system of more aromatic rings and the stronger the electrostatic interaction is – with the structural system of more substituents at the para position that have the highest electronegativity, the lower the docking energy value together with the experiment IC50 of acetylcholinesterase inhibitors is Conclusion: Acetylcholinesterase inhibitory activity of β-lactam derivatives and the comparative inhibitor is closely correlated with structural factors including the aromatic ring system and the substituents, governed by the efficiency of electrostatic interactions and π - π interactions between the inhibitors with amino acid units of the enzyme The structure of inhibitors, which has more aromatic rings with higher electronegativity of substituents at the para position, has a tendency to increase the enzyme inhibitory activity of these inhibitors Keywords: Acetylcholinesterase, β-lactam, Protein docking, Computational chemistry hội chứng thần kinh bao gồm thối hóa thần ĐẶT VẤN ĐỀ kinh (Alzheimer), nhược cơ, tăng nhãn áp v.v Cholinesterase thuộc họ enzyme xúc tác Chất ức chế hồi phục điển hình Donepezil, phản ứng thủy phân chất dẫn truyền thần kinh gắn kết vào tâm hoạt động anion ngoại biên Acetylcholine thành Choline acid acetic, có enzyme AChE, hỗ trợ điều trị triệu chứng vai trò điều hòa trình sinh tổng hợp tăng cường khả nhận thức Acetylcholine hệ thần kinh Enzyme bệnh nhân Alzheimer(6) phân loại thành: Acetylcholinesterase β-lactam thuộc nhóm chất ức chế hồi phục, Butyrylcholinesterase nhiều nhà nghiên cứu khẳng định có Các chất ức chế AChE chủ yếu làm tăng hoạt tính sinh học trội kháng khuẩn, nồng độ Acetylcholine nội sinh, thúc đẩy kháng viêm, ngăn ngừa ung thư(2,3,5) v.v, trì phản ứng dẫn truyền xung thần kinh đến nguồn ngun liệu tổng hợp Hóa mô quan Căn vào phương thức ức chế, Dược Năm 2014, Karthikeyan Elumalai cộng chất ức chế AChE chia thành nhóm: ức tổng hợp xác định thành công nồng độ chế hồi phục không hồi phục Chất ức chế hồi ức chế IC50 dẫn xuất β-lactam(4), mở phục có nhiều ứng dụng liệu pháp chữa trị nhiều hướng nghiên cứu tương lai, 60 Chuyên Đề Khoa học Cơ – Y tế Công cộng Y Học TP Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ Số * 2016 phát triển ứng dụng dẫn xuất chẩn đoán điều trị bệnh Tiếp nối hướng nghiên cứu Karthikeyan Elumalai, đề tài tiến hành với mục đích xây dựng mơ hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase dẫn xuất này, đồng thời đưa dự đoán hiệu ức chế phù hợp với số liệu thực nghiệm, song song xác định yếu tố ảnh hưởng mặt cấu trúc đến khả ức chế enzyme ĐỐITƯỢNG-PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU Đối tượng nghiên cứu Enzyme Acetylcholinesterase 11 dẫn xuất β-lactam với chất ức chế so sánh Donepezil, tác giả Karthikeyan Elumalai nghiên cứu tổng hợp xác định hoạt tính ức chế thực nghiệm, IC50 (M) Phương pháp tiến hành Xây dựng tối ưu hóa cấu trúc 3D 11 dẫn xuất β-lactam chất ức chế so sánh Donepezil phần mềm Hyperchem 8.0.10 theo phương pháp bán kinh nghiệm PM3 Thiết lập mơ hình tương tác ức chế với enzyme Acetylcholinesterase phần mềm Autodock – Autodock vina(1) Khảo sát tương quan lượng gắn kết enzyme với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50, sử dụng phần mềm Statgraphics Centurion XVI Đánh giá yếu tố ảnh hưởng mặt cấu trúc đến hiệu ức chế enzyme Cơ sở liệu Hình 1: Cấu trúc Acetylcholinesterase Khoa học Cơ Nghiên cứu Y học Cấu trúc Acetylcholinesterase (Hình 1) 11 dẫn xuất β-lactam (Hình 2) với hoạt tính ức chế thực nghiệm IC50 (M) (Bảng 1) Hình 2: Cấu trúc tổng quát dẫn xuất βlactam với nhóm R Phương pháp Hóa tính tốn – mơ cấu trúc phân tử 3D Hóa tính tốn mô cấu trúc phân tử dựa tảng định luật vật lý, cho phép nghiên cứu tính chất hóa học – tượng xảy hóa học thơng qua việc tính tốn máy tính Hóa tính tốn gồm mơ hình mơ cấu trúc phân tử: mơ hình học phân tử mơ hình học lượng tử Cả hai tập trung thực tính tốn giống bao gồm: lượng, tối ưu hóa hình dạng, tần số dao động Mơ hình học lượng tử sử dụng đề tài để xây dựng tối ưu hóa cấu trúc phân tử dẫn xuất chất ức chế, phương pháp bán kinh nghiệm PM3 đơn giản hóa việc tính tốn cách biểu diễn điện tử hóa trị nguyên tử cấu thành, áp dụng rộng rãi cho hệ cấu trúc chứa nguyên tử bao gồm: H, C, N, O, F, Al, Si, P, S, Cl, Br I Phân tích hồi quy Sử dụng phần mềm Statgraphics Centurion XVI 16.1.18, với cơng cụ phân tích tương quan đa biến (Multiple-Variable Analysis (Correlations)), khảo sát tương quan lượng gắn kết enzyme với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50, có ý nghĩa thống kê với p