Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu tổng quát của luận án là thiết lập, kiểm nghiệm và cho đề xuất về các hợp chất mới có khả năng đáp ứng các hoạt tính sinh học nhất định mà chưa cần thực hiện các phép kiểm tra sinh học phức tạp bằng thực nghiệm, cho phép tiết kiệm thời gian, chi phí và nhân lực.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VŨ VĂN ĐẠT NGHIÊN CỨU QUAN HỆ CẤU TRÚC HỐ HỌC VÀ HOẠT TÍNH (QSAR) CỦA BISPHENOL - A VÀ CÁC DẪN XUẤT Chuyên ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý Mã số: 62 44 01 19 (DỰ THẢO) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – 2018 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Kim Long GS.TS Lê Ngọc Thiềm Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên vào hồi 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 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Vũ Văn Đạt, Lê Kim Long (2015), “Khảo sát cấu trúc đồng phân clo phân tử bisphenol a lý thuyết phiếm hàm mât độ”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội (Khoa học tự nhiên công nghệ), 31(3), tr – Vũ Văn Đạt , Lê Kim Long, Nguyễn Hoàng Trang (2016), “Khảo sát cấu trúc dẫn xuất Brom phân tử Bisphenol A lý thuyết phiếm hàm mật độ”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội (Khoa học tự nhiên công nghệ), 32(1), tr 38 – 46 Vũ Văn Đạt, Lâm Ngọc Thiềm, Lê Kim Long, Đoàn Văn Phúc, Nguyễn Hoàng Trang, Nguyễn Văn Tráng (2018), “Xây dựng mơ hình QSAR mơ tả hoạt tính Estrogen Bisphenol A dẫn xuất sử dụng lý thuyết hóa lượng tử phép hồi quy đa biến tuyến tính”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội (Khoa học tự nhiên công nghệ), 34(3), tr 84 –94 Vu Van Dat, Le Kim Long, Doan Van Phuc, Nguyen Hoang Trang, Nguyen Van Trang (2018), “Predicting the estrogen activities of Bisphenol A and its analogs using theory of quantum chemistry and artificial neural networks”, Journal of Chemistry and Chemical Technology, Russia (Bản thảo gửi, đợi ý kiến phản biện) Vũ Văn Đạt, Lâm Ngọc Thiềm, Lê Kim Long, Đoàn Văn Phúc, Nguyễn Hoàng Trang, Nguyễn Văn Tráng (2018), “Phân tích QSAR dự đốn hoạt tính estrogen Bisphenol A dẫn xuất sử dụng phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính mạng nơ ron nhân tạo”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội (Khoa học tự nhiên công nghệ) (Bản thảo gửi, đợi ý kiến phản biện) MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Bisphenol A (BPA) hóa chất sản xuất tiêu thụ với số lượng khổng lồ toàn cầu Lĩnh vực ứng dụng BPA phong phú: công nghiêp hóa chất, hàng tiêu dùng, cơng nghiệp thực phẩm …Tuy nhiên, nghiên cứu khoa học BPA tồn dư sản phẩm nguyên nhân gây rối loạn nội tiết thể loạt bệnh tim mạch, béo phì, ung thư vú Khơng BPA mà dẫn xuất BPA (BPS - Bisphenol S, BPF Bisphenol F…) ảnh hưởng đến chức tế bào giống BPA, liều lượng tiếp xúc an tồn chúng khơng giống Xuất phát từ điều trình bầy đây, với mong muốn làm rõ mối quan hệ định lượng hoạt tính sinh học thơng số lượng tử BPA dẫn xuất, từ có hướng nghiên cứu, tổng hợp khai thác có hiệu dẫn xuất BPA mà bảo đảm an toàn cho người hệ sinh thái, chọn đề tài: “Nghiên cứu quan hệ cấu trúc hóa học hoạt tính (QSAR) Bisphenol - A dẫn xuất” Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án * Mục tiêu - Khai thác liệu sinh học sẵn có, kết hợp với việc chọn lọc cơng cụ tính tốn tham số cấu trúc, lượng BPA dẫn xuất, sử dụng phương pháp mơ tốn học để nhận diện tham số ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính sinh học phân tử, mơ hình hóa mối quan hệ định lượng hoạt tính sinh học với tham số lượng tử (QSAR) BPA dẫn xuất; - Thiết lập, kiểm nghiệm cho đề xuất hợp chất có khả đáp ứng hoạt tính sinh học định mà chưa cần thực phép kiểm tra sinh học phức tạp thực nghiệm, cho phép tiết kiệm thời gian, chi phí nhân lực * Nội dung nghiên cứu luận án - Nghiên cứu cấu trúc thông số lượng tử đặc trưng cho phân tử áp dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) - Sử dụng phương pháp toán học thống kê hồi quy đa biến tuyến tính (MLR) mạng neural nhân tạo (ANN) để đánh giá mức độ ảnh hưởng tham số cấu trúc lên hoạt tính sinh học chúng - Xây dựng mối quan hệ định lượng cấu trúc hóa học hoạt tính sinh học sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ phương pháp toán học thống kê: MLR, ANN - Trên sở phân tích biểu độc tính phân tử liên quan đến thay đổi “mảnh” cấu trúc phân tử kết hợp với mơ hình hoạt tính-cấu trúc thiết lập tiến hành thiết kế phân tử để tối ưu hóa đáp ứng sinh học hợp chất ngành khoa học ứng dụng Những đóng góp luận án - Từ khảo sát đầy đủ thông số cấu trúc, lượng chất nghiên cứu lý thuyết, phân tử BPA dẫn xuất có cấu trúc khơng gian hình "cánh quạt" với hai vòng phenyl phân bố gần so le nhau; orbital HOMO orbital liên kết vùng che phủ tập trung xung quanh nhóm hút electron, orbital LUMO orbital phản liên kết vùng che phủ orbital LUMO chủ yếu tập trung vòng thơm - Đã đánh giá mức độ ảnh hưởng tham số cấu trúc lượng tử lên hoạt tính sinh học chất khảo sát Theo đó, thơng số C12, EHOMO, C3, µ, C13 C6 có tác động mạnh đến hoạt tính estrogen nhóm chất nghiên cứu xây dựng mối quan hệ định lượng cấu trúc phân tử hoạt tính sinh học BPA dẫn xuất Mơ hình QSAR thu có khả tái lập tốt, khả tổng quát ngoại dự đoán mức độ cao (R2 = 0,99; R2Dự đoán = 0,98; Q2 = 0,98) - Sự xuất nguyên tử halogen làm tăng độc tính phân tử, đặc biệt xuất halogen vịng thơm Cụ thể, độc tính phân tử tăng theo chiều giảm độ dài mạch carbon R1 R2 Sự có mặt nhóm chênh lệch khả hút đẩy electron vị trí số số (hoặc số số 9) vịng benzen góp phần quan trọng làm tăng hoạt tính estrogen phân tử Ngược lại, có mặt nhóm alkyl vị trí dẫn đến giảm moment lưỡng cực phân tử, gây biểu giảm hoạt tính phân tử - Đã thiết kế phân tử dẫn xuất BPA có hoạt tính estrogen thấp hẳn so với phân tử 23 chất nghiên cứu Bố cục luận án Luận án gồm 104 trang (không bao gồm tài liệu tham khảo phụ lục); Chương, 27 Bảng, 45 Hình đồ thị, 116 tài liệu tham khảo nước quốc tế Bố cục luận án gồm: Mở đầu 04 trang, Tổng quan 32 trang, Đối tượng Phương pháp nghiên cứu 13 trang, Kết thảo luận 52 trang, Kết luận 02 trang, Kiến nghị 01 trang, Tài liệu tham khảo: 13 trang 17 trang Phụ lục Từ kết nghiên cứu công bố 05 báo khoa học nước Chương I TỔNG QUAN Vật liệu Polycarbonate sử dụng lượng BPA khổng lồ toàn cầu phát thải BPA môi trường làm phơi nhiễm BPA người động thực vật Nhiệm vụ cấp thiết đặt xác định liều lượng tối thiểu gây tác dụng sinh học tiêu cực BPA dẫn xuất người môi trường sinh thái dựa mơ hình QSAR Để xác định tham số cấu trúc phân tử, phép tính tốn lý thuyết Hóa lượng tử sử dụng Lý thuyết phiếm hàm mật độ cho phép thay hàm sóng N-electron (x1,x2,….xN) phức tạp phương trình Schrodinger mật độ electron (r) sơ đồ tính tốn kèm theo đơn giản nhiều Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) đơn giản giả thuyết vật lý đường toán học để dẫn tới giả thuyết phức tạp Hàm số biểu diễn quy luật để từ biến số x đến giá trị f(x) Phiếm hàm biểu diễn quy luật để từ hàm f đến giá trị F[f], f(x) hàm Giá trị kỳ vọng Hˆ hoá lượng tử phiếm hàm: cho biết có giá trị số kỳ vọng Vì thế, tương tự với phương pháp biến phân thông dụng hoá lượng tử E khảo sát cực tiểu cực trị phiếm hàm Mật độ electron xác định đơn giá tính chất, đặc biệt lượng trạng thái DFT sử dụng khái niệm tính khả biểu (representability) mật độ electron để khả biểu diễn mật độ hàm sóng bất đối xứng Hamilton lượng tử Các tính tốn lập trình thực phần mềm Gaussian phiên khác Cấu trúc hóa học hợp chất bao gồm vị trí khơng gian ngun tử phân tử, liên kết chúng, mật độ electron ảnh hưởng tương hỗ nguyên tử không liên kết trực tiếp với nhau, Cấu trúc hóa học có mối tương quan đến tính chất lý hóa sinh hợp chất Mối tương quan giải thơng qua lí thuyết mối tương quan định lượng cấu trúc hoạt tính sinh học (Quantitative Structure - Activity Relationships - QSAR) Ở giai đoạn vận chuyển chất có hoạt tính sinh học, lý hóa tính chất có vai trị quan trọng Mối liên quan lý hóa tính với tác dụng giúp ta hiểu chế tác dụng từ giải thích dễ dàng chế tác dụng QSAR tìm cách xác lập mối liên quan thông số cấu tạo, tính chất lý hố tác dụng sinh học dãy chất nhằm tìm chất có tác dụng sinh học tối đa giải thích chế tương tác với chất thụ cảm Nghiên cứu mối tương quan tác dụng sinh học với thông số lý hoá chất nghiên cứu gọi mơ hình nhiều tham số (mơ hình C Hansch) Hướng khác nghiên cứu mối tương quan cấu trúc - tác dụng dựa giả thiết tác dụng sinh học phân tử tổng đóng góp tác dụng nhóm phân tử đóng góp khung phân tử gọi mơ hình tốn cộng tính (Mơ hình Free - Wilson) Chương II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu phân tích sinh học Bộ liệu sử dụng luận án gồm 23 hợp chất tổng hợp nghiên cứu hoạt tính sinh học (Bảng 2.1 2.2) Hoạt tính sinh học chọn lựa mức độ hoạt động estrogen thơng số hoạt tính chọn EC50 [mol/L], nồng độ gây 50% hiệu ứng sinh học tối đa thời gian phơi nhiễm thực nghiệm 72 Bảng 2.1 Cấu tạo phân tử chất nghiên cứu STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Hợp chất DM DMB Bis A DMB Bis A MM4 Bis A HF Bis A DM HPTE MM1 Bis F Bis B DM Bis A HPTE 1844-00-44 MM2 TM Bis A o,p’-Bis A Mono Mxy Bis A P Bis A PCP MH MM1 MH Bis F TC Bis A TB Bis A Mxy Bis A H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H CH3 OH H H OH H H OH H H OH H H OH H CH3 OH H H OH H H OH H H OH H CH3 OH H H OH H H OH H H OH H CH3 OH CH3 H H H H OH H H OH H H H H H OH H H H H Cl OH Cl Br OH Br H OCH3 H H H H H H H H H H H H H H H OH H H H H H H H H Nhóm H CH3 OH H H H OH H H H OH H H H OH H H H OH H H CH3 OH H H H OH H H H OH H H H OH H H H OH CH3 H H OH H H H OH H H H OH H H CH3 OH CH3 H H OH H H H OCH3 H H H OH H H H OH H H H H H H H OH H H Cl OH Cl H Br OH Br H H OCH3 H R1 R2 CH3 CH2CH(CH3)2 CH3 CH2CH(CH3)2 C2H5 C2H5 CH3 CH3 CF3 CF3 H CCl3 H CH3 H H CH3 C2H5 CH3 CH3 H CCl3 H CH(CH3)2 H C2H5 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 C6H5 CH3 CH3 CH3 H H H CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 Bảng 2.2 Dữ liệu thực nghiệm hoạt tính sinh học chất nghiên cứu STT Hợp chất 10 11 12 DM DMB Bis A DMB Bis A MM4 Bis A HF Bis A DM HPTE MM1 Bis F Bis B DM Bis A HPTE 1844-00-44 lgEC50(Gene induction) -1,99 -2,03 -2,28 -2,56 -2,79 -2,91 -3,15 -3,28 -3,28 -3,31 -3,37 -3,38 STT Hợp chất 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 MM2 TM Bis A o,p’-Bis A Mono Mxy Bis A P Bis A PCP MH MM1 MH Bis F TC Bis A TB Bis A Mxy Bis A lgEC50(Gene induction) -3,57 -3,80 -3,96 -4,04 -4,05 -4,05 -4,05 -4,05 -6,04 -6,04 -6,04 2.2 Tham số hóa lượng tử phương pháp tính Các tham số cấu trúc điện tử khảo sát phương pháp B3LYP sử dụng hàm sở khác nhau, thực phần mềm Gaussian 09 Gaussview Trình tự tính tốn gồm: Thiết kế phân tử (Gausview 6); Tối ưu hóa hình học tính tốn thơng số (Gaussian 09) 2.3 Phương pháp xây dựng đánh giá mơ hình Các mơ hình QSAR xây dựng kiểm tra phương pháp toán học thống kê MLR ANN, thực chương trình Stagraphics Centurion XV, NeuroSolutionTM 6.0 Mathlab 2016 Mạng ANN gồm lớp ẩn; hàm truyền sử dụng hàm SigmoidAxon; quy tắc học Momentum với Step size 0,01; momentum 0,7; số chu kỳ tối đa 65533; điều kiện dừng luyện giá trị ngưỡng tối thiểu trung bình bình phương sai số MSE luyện Chương III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính tốn tham số cấu trúc phân tử BPA dẫn xuất Việc tính tốn thơng số cấu trúc, điện tử chất khảo sát bắt đầu việc lựa chọn hàm sở phù hợp Kết khảo sát phân tử BPA hàm cc-pvdz, TZVP 6-31+G* so sánh với kết khảo sát thực nghiệm cho thấy hàm 631+G* tối ưu hàm cịn lại Chúng tơi sử dụng hàm 6-31+G* để khảo sát cấu trúc tính tốn tham số lượng tử tất 22 phân tử lại chất khảo sát Kết khảo sát cấu trúc 23 chất cho thấy phân tử có cấu trúc khơng gian hình "cánh quạt" với hai vịng phenyl phân bố gần so le Giá trị ΔE=EHOMO - ELUMO đặc trưng cho độ cứng hóa học phân tử, liên quan đến khả chống biến dạng phân cực đám mây electron phân tử Hình 3.7 cho thấy, giá trị ΔE đặc biệt thấp phân tử số 11 Cả phân tử có xuất khơng đối xứng nhóm R1 chứa nguyên tử halogen nhóm R2 gồm nguyên tử hydro tạo dạng HOMO với che phủ electron hoàn tồn phân cực vị trí liên kết halogen dẫn đến ổn định cấu trúc phân tử -7 Energy, eV -5 Ehomo Elumo -3 -1 10 Hợp 11chất 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Hình 3.7 Sự thay đổi giá trị lượng EHOMO, ELUMOvà ΔE theo chiều tăng độc tính * Moment lưỡng cực phân tử Đồ thị biểu diễn thay đổi moment lưỡng cực phân tử chất theo chiều tăng độc tính cho Hình 3.8; mơ hình giải thích tác động nhóm nguyên tử lên moment lưỡng cực chất nghiên cứu minh họa Hình 3.9 -8 Mô men lưỡng cực, Debye LgEC50 LgEC50 -6 -4 -2 1 -1 Hợp chất 11 13 15 17 19 21 23 Hình 3.8 Moment lưỡng cực phân tử chất theo chiều tăng độc tính 10 So sánh mô men lưỡng cực phân tử số 3, 4, (Nhóm R tương ứng -C2H5, -CH3 -H) khác mô men lưỡng cực giải thích khác lực đẩy phân cực nhóm Theo chiều giảm lực đẩy phân cực: -C2H5 > -CH3 > -H, moment lưỡng cực phân tử 3, 4, tương ứng giảm dần a) Phân tử số 3, 4, b) Phân tử số c) Phân tử số d) Phân tử số 11 e) Phân tử số 14 f) Phân tử số 21, 22 g) Phân tử số 2, 7, 9, 11, 12, 13 h) Phân tử số Hình 3.9 Mơ hình giải thích tác động nhóm nguyên tử lên moment lưỡng cực phân tử chất nghiên cứu 11 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn thay đổi moment lưỡng cực phân tử phụ thuộc vào đặc tính đẩy gốc R1, R2 Trong trường hợp gốc R1, R2 bên ngồi vịng thơm gốc hydrocarbon, moment lưỡng cực phân tử tăng theo chiều tăng lực đẩy tổ hợp R1 R2 biểu diễn đồ thị Hình 3.10 Sự xuất đồng thời củanhóm -CH3 carbon vị trí số số 7; số 2, số 4, số số làm giảm mô men lưỡng cực phân tử (khi so sánh phân tử số với số 1; số 14 với số 4) Ngược lại mặt đồng thời nhóm -CH3 carbon vị trí số số làm tăng mô men lưỡng cực phân tử (phân tử số 10 với phân tử số 4) * Sự chuyển dịch electron phân tử mật độ điện tích Trong hầu hết trường hợp, nhóm halogen nhóm -OH mang hiệu ứng âm (hút electron) Tuy nhiên, liên kết với nguyên tử carbon mang nối đôi, lúc này, cặp electron-p chưa liên kết nguyên tử oxy bị đẩy phía liên kết π nhóm – OH lại thay đổi thành dạng hiệu ứng dương (đẩy electron) Nhóm alkyl mang hiệu ứng cảm ứng dương, đặc biệt hệ liên hợp, C–H vị trí α so với liên kết đôi liên kết ba gây hiệu ứng siêu liên hợp mạnh Hiệu ứng siêu liên hợp tăng dần theo chiều tăng số lượng liên kết C–H Tuy nhiên, trường hợp nhóm alkyl nằm vị trí ortho 12 para so với nhóm -OH vịng thơm, nhóm alkyl lại mang hiệu ứng âm hút electron phía Lực hút electron giảm theo chiều tăng số lượng liên kết C-H vị trí Cα so với liên kết đơi Gốc alkyl C12(R1)(R2)- gắn với vịng thơm vị trí para (vị trí carbon số 11 13) so với nhóm -OH gây hiệu ứng siêu liên hợp hút electron Điện tích vịng thơm bị chuyển dịch sang nguyên tử C12 tiếp tục dịch chuyển gốc -R1 -R2 Mạch carbon dài phân nhánh, chuyển dịch electron mạnh Sự chuyển dịch electron phân tử chất nghiên cứu biểu diễn Hình 3.11 Sự thay đổi mật độ electron số vị trí carbon biểu diễn Hình 3.14, 3.15 Phân tử số 10 Phân tử số 18, 19, 20 Phân tử số 14 Phân tử số 21, 22 Hình 3.11 Sự chuyển dịch electron khung phân tử Hình 3.14 Đồ thị so sánh mật độ điện tích C11, C12, C13 chất nghiên cứu 13 Hình 3.15 Sự thay đổi tổng điện tích vòng thơm [C(vòng thơm 1) = C1+C2+C3+C4+C5+C13] 3.2 Xây dựng mơ hình QSAR phân tích quan hệ cấu trúc – độc tính BPA dẫn xuất * Mơ hình QSAR sử dụng phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính Kết tính tốn 18 tham số đóng vai trị biến độc lập để xây dựng mơ hình (Bảng 3.10) Từ 18 biến trên, thực hồi quy chọn mơ hình (regrassion model selection), thu 89692 mơ hình chứa từ đến 18 biến.Mơ hình có hệ số R2atốt (R2a=0,81) chứa 11 biến độc lập (C1, C11, C12, C13, C2, C6, C7, ΔE, EHOMO, µ vàω) chọn lựa để xây dựng mơ hình QSAR Kết tính tốn đánh giá số thống kê mơ hình xây dựng từ 11 biến độc lập biến C7 có hệ số P-value bị loại khỏi mơ hình Bộ thơng số cấu trúc tối ưu chọn để xây dựng mơ hình nghiên cứu bao gồm 10 thơng số: C1, C11, C12, C13, C2, C6, ΔE, EHOMO, µ ω 14 Bảng 3.10 Các thông số cấu trúc chọn để xây dựng mơ hình QSAR Hợp chất EHOMO ΔE µ Esp (eV) (eV) (Debye) (Hartree) DM DMB Bis A -5,793 -5,463 0,922 DMB Bis A MM4 Bis A HF Bis A DM HPTE MM1 Bis F Bis B DM Bis A HPTE 1844-00-44 MM2 TM Bis A o,p’-Bis A Mono MxyBis A P Bis A PCP MH MM1 MH Bis F TC Bis A TB Bis A Mxy Bis A -5,922 -5,986 -5,933 -6,552 -6,077 -5,951 -5,990 -5,966 -5,776 -6,234 -5,928 -5,953 -5,669 -5,901 -5,675 -5,825 -6,068 -6,078 -6,117 -6,558 -6,517 -5,799 -5,422 -5,436 -5,413 -5,589 -4,719 -5,429 -5,404 -5,409 -5,404 -4,814 -5,318 -5,340 -5,435 -5,445 -5,433 -5,293 -5,576 -5,566 -5,546 -5,327 -5,254 -5,401 ω C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 -928,270 0,156 -0,230 -0,304 0,308 -0,080 -0,206 -0,203 -0,080 0,308 -0,305 -0,230 -0,040 -0,090 -0,040 1,625 -849,630 0,487 2,279 -810,320 0,955 1,730 -731,700 0,553 1,577 -1327,170 0,445 2,303 -2149,790 1,124 1,440 -692,390 0,382 1,470 -653,080 0,400 2,077 -771,010 0,797 1,922 -810,330 0,683 1,877 -2071,150 0,732 0,633 -771,010 0,075 2,048 -731,700 0,786 1,306 -888,970 0,314 1,766 -731,700 0,573 0,944 -771,020 0,164 1,303 -923,460 0,321 1,546 -656,480 0,429 1,535 -617,170 0,424 1,445 -577,850 0,377 3,585 -2570,080 2,412 3,518 -11016,220 2,356 0,917 -810,310 0,156 -0,222 -0,311 -0,218 -0,312 -0,222 -0,311 -0,197 -0,307 -0,192 -0,115 -0,223 -0,311 -0,217 -0,312 -0,221 -0,311 -0,215 -0,115 -0,198 -0,311 -0,218 -0,307 -0,219 -0,311 -0,223 -0,110 -0,221 -0,264 -0,210 -0,311 -0,203 -0,307 -0,242 -0,235 -0,244 -0,235 -0,237 -0,235 -0,239 -0,103 -0,239 -0,170 -0,223 -0,318 0,303 0,303 0,302 0,319 0,321 0,303 0,302 0,303 0,308 0,315 0,302 0,303 0,312 -0,228 0,335 0,349 -0,248 -0,247 -0,247 0,283 0,281 0,306 15 -0,277 -0,205 -0,209 -0,277 -0,281 -0,218 -0,218 -0,281 -0,277 -0,208 -0,208 -0,277 -0,277 -0,198 -0,198 -0,277 -0,273 -0,200 -0,197 -0,075 -0,276 -0,205 -0,211 -0,277 -0,277 -0,209 -0,209 -0,277 -0,279 -0,212 -0,214 -0,280 -0,272 -0,215 -0,215 -0,272 -0,278 -0,194 -0,201 -0,275 -0,276 -0,210 -0,212 -0,276 -0,278 -0,210 -0,215 -0,279 -0,073 -0,212 -0,212 -0,073 -0,307 0,318 -0,213 -0,279 -0,257 -0,203 -0,199 -0,272 -0,273 -0,203 -0,207 -0,275 -0,236 -0,228 -0,208 -0,277 -0,235 -0,225 -0,210 -0,276 -0,235 -0,229 -0,208 -0,276 -0,085 -0,224 -0,224 -0,085 -0,155 -0,221 -0,221 -0,155 -0,267 -0,212 -0,212 -0,267 0,302 0,303 0,302 0,319 0,315 0,302 0,302 0,303 0,308 0,311 0,302 0,303 0,312 0,299 0,348 0,349 0,303 0,302 0,303 0,283 0,281 0,306 -0,310 -0,222 -0,048 -0,100 -0,312 -0,218 -0,052 -0,098 -0,311 -0,222 -0,052 -0,113 -0,307 -0,197 -0,095 -0,032 -0,299 -0,221 -0,062 -0,303 -0,311 -0,217 -0,057 -0,287 -0,312 -0,217 -0,069 -0,476 -0,312 -0,218 -0,055 -0,105 -0,115 -0,215 -0,045 -0,112 -0,305 -0,213 -0,069 -0,304 -0,309 -0,231 -0,051 -0,269 -0,311 -0,215 -0,063 -0,282 -0,110 -0,223 -0,037 -0,111 -0,311 -0,212 -0,039 -0,111 -0,307 -0,212 -0,066 -0,070 -0,305 -0,198 -0,067 -0,077 -0,311 -0,222 -0,052 -0,115 -0,311 -0,217 -0,057 -0,290 -0,311 -0,217 -0,069 -0,479 -0,103 -0,239 -0,030 -0,100 -0,170 -0,239 -0,029 -0,100 -0,318 -0,223 -0,051 -0,113 -0,049 -0,052 -0,052 -0,095 -0,073 -0,059 -0,069 -0,052 -0,045 -0,079 -0,051 -0,061 -0,037 -0,068 -0,063 -0,066 -0,021 -0,028 -0,039 -0,030 -0,029 -0,051 Mơ hình đánh giá xây dựng tất 23 hợp chất liệu với 10 biến độc lập, kết hợp với phép tham chiếu LOO-CV, cho kết sau: LgEC50=(31,6935±8,7774)+(292,7010±51,3223)*C1+(158,3840±27,5407)* C11+(10,4344±2,8822)*C12+(131,7570±27,8454)*C13+(15,1931±2,8822)* C2+(182,1880±37,9349)*C6+(9,2881±1,8774)*ΔE+(3,7845±1,1753)*EHOMO +(4,50892±0,8010)*µ+(4,8629±1,1837)*ω (3.1) N = 23; k = 10; R = 0,8803; F-Ratio = 8,82; P-Value = 0,0004; P-value of DW statistic = 0,1519; Q2LOO = 0,5564; Mơ hình dự đốn xây dựng luyện gồm 18 hợp chất với 10 biến độc lập, kết hợp với phép tham chiếu LOO-CV thực luyện phép tham chiếu thực kiểm gồm hợp chất (phân tử số 21, 13, 9, 17, Bảng 2.1), cho kết sau: LgEC50=(42,0206±6,0038)+(384,1590±42,1580)*C1+(211,4820±21,0181) *C11–(14,3442±1,7514)*C12+(163,6840±20,8313)*C13– (19,1046±2,3410)*C2+(238,6620±26,1866)*C6–(12,6523±1,5201)*ΔE– (4,7940±0,8085)*EHOMO+(4,6879±0,5635)*µ–(4,8575±0,8259)*ω(3.2) N = 18; k = 10; R2 = 0,96; F-Ratio = 18,16; P-Value = 0,0004; P-value of DW statistic = 0,0732, Q2LOO = 0,51; R2Dự đoán = 0,54; Giá trị R2 = 0,96, mơ hình dự đốn có khả tái lập liệu tốt Giá trị Q2LOO=0,51; R2Dự đoán=0,54 cho thấy, độ ổn định khả dự đốn ngoại mơ hình mức trung bình, thơng số C1, C6, C11 C13 có tác động mạnh đến hoạt tính estrogen nhóm chất nghiên cứu Tương quan giá trị hoạt tính dự đốn, tính tốn thực nghiệm mơ tả Hình 3.19 16 Hình 3.19 Đồ thị tương quan giá trị tính tốn, giá trị dự đốn giá trị quan sát * Mơ hình QSAR sử dụng phương pháp ANN Thủ tục chọn biến phương pháp mạng neural nhân tạo thực thông qua ma trận tương quan Pearson giản đồ thể độ nhạy tham số hoạt tính (Hình 3.22) Danh sách tham số lựa chọn để xâ dựng mơ hình bao 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 C11 EHOMO C3 Miu C13 C6 C1 C12 Ksi Ro DeltaE Niu C5 C2 Esp ELUMO C10 Omega C7 C4 C9 C8 Độ nhạy gồm: C11; EHOMO, C3, µ, C13, C12, C6, ρ, C5 ESP Các tham số Hình 3.22 Giản đồ thể độ nhạy tham số hoạt tính Tiến hành xác định số nơ ron tối ưu cho lớp ẩn Số neural lớp ẩn dao động từ đến 2i-1 (i số biến độc lập) So sánh giá trị MSE mơ hình với số nơ ron lớp ẩn khác nhận thấy mạng ANN với neural lớp ẩn cho giá trị MSE phù hợp với luyện, tham chiếu kiểm 17 MSE - Bộ luyện MSE - Bộ tham chiếu 0.8 MSE 0.6 0.4 0.2 Số nơ ron lớp ẩn 10 Hình 3.23 Biến thiên MSE theo số neural lớp ẩn Sau xác định số nơ ron tối ưu cho lớp ẩn tiến hành luyện mạng Trên hình 3.24 minh họa bảng code lập trìnhtrên Mathlab xây dựng mạng neural nhân tạo với neural lớp ẩn.Kết luyện mạng với neural lớp ẩn đưa mơ hình có tái lập liệu tốt,đồng thời có khả tổng qt hóa dự đốn cao (R2 = 0,99; Q2=0,98; R2test = 0,98) Hình 3.24 Một phần bảng mã lập trình xây dựng mạng neural với nút lớp ẩn Giá trị hoạt tính ước tính giá trị hoạt tính dự đốn theo mạng ANN xây dựng cho Bảng 3.16 Mức độ tương 18 quan giá trị dự đoán, giá trị ước tính giá trị quan sát biểu diễn đồ thị Hình 3.26, 3.27 Bảng 3.16 Giá trị hoạt tính dự đốn STT Hợp chất 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 DMB Bis A HPTE MM4 DM DMB Bis A HF Bis A Bis B DM Bis A P Bis A MM2 Bis A PCP TM Bis A MH MM1 o,p’-Bis A MH Bis F MM1 Bis F DM HPTE 1844-00-44 Mono Mxy Bis A TC Bis A TB Bis A Mxy Bis A LgEC50 (Quan sát) -2,03 -3,37 -2,28 -1,99 -2,79 -3,28 -3,31 -4,05 -3,57 -2,56 -4,05 -3,8 -4,05 -3,96 -4,05 -3,15 -3,28 -2,91 -3,38 -4,04 -6,04 -6,04 -6,04 19 LgEC50 (Dự đoán) -2,049 -3,351 -2,300 -2,070 -2,768 -3,300 -3,288 -4,033 -3,759 -2,566 -4,035 -3,988 -4,028 -3,928 -4,035 -3,158 -2,913 -2,501 -3,479 -3,903 -5,944 -5,955 -5,963 -1 -1 1011121314151617181920 -2 -2 LgEC50 -3 -5 -5 -7 LgEC50 - Dự đoán -4 -4 -6 LgEC50 -3 LgEC50 - Quan sát -6 LgEC50 - Quán sát LgEC50 - Dự đoán -7 Số mẫu luyện Số mẫu kiểm Hình 3.26 Đồ thị tương quan giá Hình 3.27 Đồ thị tương quan trị tính tốn thực nghiệm giá trị dự đoán thực nghiệm 3.3 Luận giải chế biểu độc tính Thiết kế phân tử Mơ hình QSAR xây dựng phương pháp ANN có khả dự đốn tốt với R2Dự đoán = 0,98 cho phép nhận diện tham số có ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính Estrogen BPA dẫn xuất Trên sở phân tích thay đổi trọng tham số nhóm nhỏ phân tử có tương đồng cao mặt cấu trúc xác định mức độ đóng góp ”mảnh phân tử” cụ thể vào giá trị hoạt tính, từ thiết kế phân tử có đáp ứng sinh học tốt Khung phân tử thiết kế minh họa Hình 3.30 Hình 3.30 Khung phân tử thiết kế Như phân tích, nhóm R1, R2 chọn theo hướng làm giảm phân cực cục liên kết C12 – C11 C12 – C13 Bên cạnh đó, để giảm khả hoạt động liên kết mơi trường hóa học, nhóm R1, R2 chọn theo hướng 20 làm tăng hiệu ứng khơng gian phân tử Theo đó, R1 R2 chọn mạch hydrocarbon dài kèm theo phân nhánh Các nhóm R3 R4 chọn theo hướng làm giảm moment lưỡng cực phân tử Theo đó, nhóm R3, R4 chọn gốc alkyl Tuy nhiên, xét đến tính phân cực cục liên kết C2 – Cα (của R3) C7 – Cα (của R4), mạch carbon gốc alkyl R3, R4 chọn mạch dài để làm giảm tính phân cực cục nói Trên sở đó, số phân tử thiết kế với cấu trúc trình bày Hình 3.31 M1 M2 M3 M4 M5 M6 Hình 3.31 Cấu trúc phân tử 21 Các trọng tham số phân tử tính toán sử dụng phương pháp B3LYP với hàm 6-31+G* (Bảng 3.17) Giá trị hoạt tính Estrogen dự đốn tính tốn thơng qua mơ hình QSAR xây dựng phương pháp ANN cho Bảng 3.18 Bảng 3.17 Các tham số đặc trưng phân tử thiết kế TT C11 EHOMO C3 µ C13 C6 C12 ρ C5 ESP M1 -0,195 -7,853 0,385 0,751 0,035 -0,192 -0,288 0,170 -0,243 -1033,563 M2 -0,196 -7,842 0,384 0,758 0,035 -0,192 -0,288 0,170 -0,243 -994,743 M3 -0,186 -8,004 0,387 1,587 0,002 -0,195 -0,291 0,168 -0,256 -994,756 M4 -0,192 -7,853 0,386 0,751 0,033 -0,195 -0,288 0,170 -0,250 -1033,563 M5 -0,192 -7,853 0,386 0,751 0,033 -0,195 -0,288 0,170 -0,250 -1033,563 M6 -0,195 -8,021 0,386 1,582 -0,001 -0,193 -0,245 0,169 -0,237 -1033,557 Bảng 3.18 Giá trị hoạt tính dự đốn phân tử STT Hợp chất M1 M2 M3 M4 M5 M6 LgEC50 (Dự đoán) -0,55 -0,55 -0,92 -0,53 -0,53 -1,21 Giá trị hoạt tính dự đoán phân tử thấp nhiều so với giá trị hoạt tính phân tử chất khảo sát Điều khẳng định tính đắn việc lựa chọn trọng tham số để xây dựng mơ hình QSAR tính đắn việc luận giải chế tác động nhóm lên giá trị tham số đặc trưng phân tử 22 KẾT LUẬN Khảo sát tham số cấu trúc, lượng 23 chất dẫn xuất BPA Phân tử BPA dẫn xuất có cấu trúc khơng gian hình "cánh quạt" với hai vịng phenyl phân bố so le Khi nguyên tử halogen, nhóm alkyl hay nhóm chức -OH vào vịng thơm vào gốc R1, R2 ảnh hưởng đến cấu trúc không gian BPA Các orbital HOMO orbital liên kết (bonding MO) có vùng che phủ electron tập trung xung quanh nguyên tử halogen, orbital LUMO orbital phản liên kết (anti-bonding MO) có vùng bao phủ electron orbital LUMO chủ yếu tập trung vịng thơm Giá trị mơ men định độ phân cực nhóm Sử dụng đồng thời phương pháp MLR phương pháp ANN xây dựng quan hệ mức độ ảnh hưởng tham số cấu trúc hóa lượng tử lên hoạt tính sinh học chất khảo sát Các thơng số C11, EHOMO, C3, µ, C13 C6 có tác động mạnh đến hoạt tính estrogen nhóm chất nghiên cứu Xây dựng mơ hình dự đoán QSAR với 10 biến (C1, C11, C12, C13, C2, C6, ΔE, EHOMO, µ, ω) có khả tái lập tốt với hệ số xác định R2 = 0,96; Q2LOO = 0,512 khả dự đốn bên ngồi mơ hình mức trung bình với hệ số xác định R2dự đốn= 0,5438 Mơ hình ANN bền vững với hệ số xác định R2 = 0,99; khả tổng quát ngoại dự đoán R2dự đoán= 0,98; Q2LOO = 0,98 áp dụng để dự đốn hoạt tính dẫn xuất BPA chưa nghiên cứu Trên sở phân tích biểu độc tính phân tử liên quan đến thay đổi ”mảnh” cấu 23 trúc phân tử, xuất nguyên tử halogen làm tăng độc tính phân tử, đặc biệt xuất halogen vịng thơm Độc tính phân tử tăng theo chiều tăng độ phân cực liên kết C12 – C11 C12 – C13 hay theo giảm độ dài mạch carbon R1 R2 Sự có mặt nhóm chênh lệch khả hút đẩy electron vị trí số số (hoặc số số 9) làm tăng hoạt tính Estrogen phân tử, ngược lại có mặt nhóm alkyl vị trí làm giảm moment lưỡng cực phân tử giảm hoạt tính phân tử Đã thiết kế phân tử dẫn xuất BPA có hoạt tính Estrogen thấp hẳn so với phân tử 23 chất nghiên cứu KIẾN NGHỊ Tiếp tục dự đốn hoạt tính Estrogen chất dẫn xuất BPA (chưa nghiên cứu) phương pháp hóa tính tốn Kết hợp với nhà nghiên cứu thực nghiệm hoạt tính sinh học để đánh giá hoạt tính Estrogen dẫn xuất BPA dự đốn hoạt tính thơng qua tính tốn lý thuyết Qua đánh giá tính đắn nghiên cứu hóa lý thuyết hóa thực nghiệm cơng tác nghiên cứu hoạt tính phân tử 24 ... 184 4-0 0-4 4 Mono Mxy Bis A TC Bis A TB Bis A Mxy Bis A LgEC50 (Quan sát) -2 ,03 -3 ,37 -2 ,28 -1 ,99 -2 ,79 -3 ,28 -3 ,31 -4 ,05 -3 ,57 -2 ,56 -4 ,05 -3 ,8 -4 ,05 -3 ,96 -4 ,05 -3 ,15 -3 ,28 -2 ,91 -3 ,38 -4 ,04 -6 ,04... -0 ,197 -0 ,075 -0 ,276 -0 ,205 -0 ,211 -0 ,277 -0 ,277 -0 ,209 -0 ,209 -0 ,277 -0 ,279 -0 ,212 -0 ,214 -0 ,280 -0 ,272 -0 ,215 -0 ,215 -0 ,272 -0 ,278 -0 ,194 -0 ,201 -0 ,275 -0 ,276 -0 ,210 -0 ,212 -0 ,276 -0 ,278 -0 ,210 -0 ,215... 0,306 -0 ,310 -0 ,222 -0 ,048 -0 ,100 -0 ,312 -0 ,218 -0 ,052 -0 ,098 -0 ,311 -0 ,222 -0 ,052 -0 ,113 -0 ,307 -0 ,197 -0 ,095 -0 ,032 -0 ,299 -0 ,221 -0 ,062 -0 ,303 -0 ,311 -0 ,217 -0 ,057 -0 ,287 -0 ,312 -0 ,217 -0 ,069 -0 ,476