6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.2.2. Các phân tử alkaloid
Thực hiện quá trình docking các phân tử alkaloid vào HER1-TK (mã PDB: 1M17) để hiểu rõ hơn bản chất tương tác của chúng. Chúng tôi sẽ phân tích các thông số năng lượng và kiểu tương tác của các hợp chất alkaloid của cây Dừa cạn với miền tyrosine kinase của HER1. Các hợp chất được trình bày dưới đây dựa theo thứ tự năng lượng liên kết âm nhất, gần phân tử thuốc đến năng lượng liên kết dương dần.
Theo đó, đầu tiên đi vào khảo sát chi tiết 5 phân tử có năng lượng liên kết gần với thuốc nhất, đó là Reserpine, Alstonine, Serpentine, Tetrahydroalstonine, Catharanthine. Bảng 3.3 thể hiện rõ các thông số năng lượng và kiểu tương tác của 5 hợp chất với HER1-TK và Hình 3.5 là mô tả 2D của tương tác giữa các hợp chất với protein.
Bảng 3.3. Các giá trị năng lượng (kcal/mol) và tương tác của Reserpine, Alstonine,
Serpentine, Tetrahydroalstonine, Catharanthine với HER1-TK (PDB: 1M17)
STT Hợp chất Năng lượng liên kết Năng lượng tương tác liên phân tử Năng lượng quay tự do Liên kết hydrogen Các amino acid có tương tác kị nước với
phân tử
1 Reserpine -9,02 -12,00 2,98 Met769 (1,57 Å),
Cys773, Gly772
Cys773, Leu694, Val702, Met742, His781, Tyr777,
Phe771
2 Alstonine -8,34 -8,94 0,60 Cys751 Lys721, Ala719, Val702,
Leu820
3 Serpentine -8,11 -8,70 0,60 Leu694, Val702, Leu820,
Leu768, Lys721, Ala719
4 Tetrahydro-
alstonine
-7,80 -8,39 0,60 Thr830, Asp831,
Cys751
Lys721, Ala719, Val702, Leu820, Cys773
5 Catharanthine -7,58 -8,47 0,89 Thr766, Thr830,
Cys751
Met769, Cys751, Leu820, Ala719, Val702,
A) Reserpine B) Alstonine
C) Serpentine D) Tetrahydroalstonine
E) Catharanthine
Hình 3.5. Tương tác của Reserpine, Alstonine, Serpentine, Tetrahydroalstonine,
Có thể dễ dàng nhận thấy Reserpine, Alstonine và Serpentine tỏ ra là hợp chất tiềm năng ức chế HER1 khi mà năng lượng liên kết của chúng với HER1- TK (tương ứng là -9,02; -8,34 và -8,11 kcal/mol) âm hơn nhiều so với phân tử thuốc đối chiếu (Erlotinib và Gefitinib). Đáng chú ý, Reserpine thể hiện khả năng cạnh tranh cao với ATP khi hình thành liên kết hydrogen mạnh với Met769 (khoảng cách liên kết chỉ 1,57 Å), và thực sự chui vào túi kị nước của ATP vì có tương tác kị nước với Leu694, Val702, Met742. Ngoài ra, nó còn hình thành liên kết hydrogen với vùng nội bào thông qua amino acid Cys773. Như vậy có thể khẳng định Reserpeine hội tụ đủ yếu tố cấu trúc cơ bản đối với chất ức chế vùng tyrosine kinase của HER1.
Khác với Reserpine, Alstonine và Serpentine không có liên kết hydrogen với Met769 mặc dù năng lượng tương tác của chúng khá âm. Năng lượng âm đáng kể có thể là do xảy ra nhiều tương tác không quan trọng với HER1-TK nên khó cạnh tranh được với ATP, do đó chúng tôi cho rằng hai chất này ít có tiềm năng ức chế biểu hiện quá mức của HER1. Serpentine là một phân tử khá linh động khi hình thành nhiều tương tác với HER1. Điển hình như tương tác kị nước với túi kí nước và van der Waals, tuy nhiên chưa có sự gắn kết với vùng bản lề.
Là một hợp chất có năng lượng liên kết -7,80 kcal/mol, tốt hơn phân tử thuốc, Tetrahydroalstonine, được kỳ vọng có thể ức chế được vùng thụ thể HER1-TK. Phân tử này có sự khác biệt so với các hợp chất khác khi tạo thành liên kết hydrogen với Asp831 – nằm trong dải DFG. Việc tạo tương tác với những amino acid ở dải này có nhiều ý nghĩa sinh học vì DFG có tính bảo tồn cao trong tất cả các thụ thể tyrosine kinase và tham gia vào quá trình điều hòa các kinase [85], liên kết hydrogen với amino acid ngay cạnh bên dải DFG Thr830 và liên kết hydrogen với Cys751. Bên cạnh đó Tetrahydroalstonine còn chui vào túi kị nước thông qua tương tác kị nước với amino acid Lys721,
Ala719, Val702, Leu820. Như vậy có thể thấy Tetrahydroalstonine có năng lượng tương tác âm và tương tác tốt với vùng hoạt động của HER1-TK, nên có tiềm năng ức chế tốt thụ thể này. Catharanthine cũng có năng lượng tương tác tương đương Tetrahydroalstonine tương tác vào vùng hoạt động của HER1- TK, tạo tương tác hydrogen với amino acid kế bên Thr830 dải DFG và Thr766 – một amino acid ở vùng gatekeeper cùng với các tương tác kị nước với túi kị nước. Catharanthine bám chặt vào túi kị nước, có tương tác ankyl với Met769 ở vùng bản lề. Tuy vậy, để đánh giá là một chất có tiềm năng ức chế hoạt động quá mức của HER1 thì Catharanthine vẫn chưa phải là chất có tính cạnh tranh cao bởi nó thiếu tương tác hydrogen với amino acid vùng bản lề hoặc vùng DFG.
Như vậy, cả 5 chất trên đều có tương tác với protein 1M17, năng lượng tương tác âm hơn so với 2 phân tử thuốc đối chiếu, nhưng phân tích tương tác trong vùng hoạt động cho thấy có 2 chất có tiềm năng ức chế HER1-TK cao gồm Reserpine và Tetrahydroalstonine.
Tabersonine, Yohimbine, Ajmalicine là 3 alkaloid có năng lượng liên kết lần lượt là -7,44; -7,44 và -7,38 kcal/mol. Bảng 3.4 tổng hợp kết quả mô phỏng docking phân tử 3 hợp chất này vào thụ thể 1M17 và Hình 3.6 mô phỏng tương tác giữa các phân tử với protein 1M17.
Phân tích chi tiết liên kết trong các phức của những phân tử này với thụ thể 1M17 (Hình 3.6) cho thấy Tabersonine, Yohimbine và Ajmalicine đều chui vào túi kị nước của ATP bằng nhiều tương tác kị nước với các amino acid như Ala719, Lys721, Val702, Leu764, Leu820, và đặc biệt chúng hình thành nhiều tương tác van der Waals với 1M17. Tuy nhiên 3 hợp chất này đều không hình thành được liên kết hydrogen với vùng bản lề hay vùng dung môi nội bào hay kể cả dải DFG nên khả năng ức chế miền tyrosine kinase của HER1 của chúng
rất thấp.
Bảng 3.4. Các giá trị năng lượng (kcal/mol) và tương tác của Tabersonine, Yohimbine,
Ajmalicine với HER1-TK (PDB: 1M17)
STT Hợp chất Năng lượng liên kết Năng lượng tương tác liên phân tử Năng lượng quay tự do Liên kết hydrogen Các amino acid có tương tác kị nước với phân tử
1 Tabersonine -7,44 -8,33 0,89 - Ala719, Lys721,
Val702, Leu764, Leu820
2 Yohimbine -7,44 -8,33 0,89 - Leu820, Leu694,
Cys773, Val702, Ala719, Leu764,
Lys721
3 Ajmalicine -7,38 -7,97 0,60 - Val702, Lys721,
Leu820, Cys773, Leu764, Phe699
A) Tabersonine B) Yohimbine C) Ajmalicine
Tiếp tục phân tích các hợp chất có năng lượng liên kết gần kề 3 hợp chất trên, đó là Ajmaline, Perivine, Lochnericine, Lochnerine, Antirhine. Kết quả mô phỏng docking phân tử cho kết quả ở Bảng 3.5 và Hình 3.7.
Bảng 3.5. Các giá trị năng lượng (kcal/mol) và tương tác của Ajmaline, Perivine,
Lochnericine, Lochnerine, Antirhine với HER1-TK (PDB: 1M17)
STT Hợp chất Năng lượng liên kết Năng lượng tương tác liên phân tử Năng lượng quay tự do Liên kết hydrogen Các amino acid có tương tác kị nước với phân tử
1 Ajmaline -7,35 -8,24 0,89 Val702, Leu820,
Lys721, Leu764
2 Perivine -7,28 -7,88 0,60 Glu738 Leu834, Lys851,
Ile735, Leu723, Lys721, Leu764 3 Lochnericine -7,23 -8,12 0,89 Asp831, Thr830 Leu820, Lys721, Val702, Ala719
4 Lochnerine -7,19 -8,08 0,89 Glu738 Leu723, Phe699
5 Antirhine -7,13 -8,33 1,19 Asp831 Lys721, Val702,
Leu820, Met769, Ala719, Met742,
A) Ajmaline B) Perivine
C) Lochnericine D) Lochnerine
E) Antirhine
Hình 3.7. Tương tác của Ajmaline, Perivine, Lochnericine, Lochnerine, Antirhine với
Ajmaline, Lochnericine và Antirhine tương tác với vùng hoạt động của HER1 khá giống nhau nên năng lượng liên kết của chúng cũng xấp xỉ nhau (- 7,35; -7,23 và -7,13 kcal/mol). Ba hợp chất này tạo liên kết hydrogen với Asp831 của dải DFG, chui vào túi kị nước cạnh tranh với ATP. Dù vậy, ba chất này cũng chưa thật sự tương tác có tính cạnh tranh với ATP để có thể ức chế được HER1. Sự tương đồng có thể nhìn thấy ở Perivine (năng lượng liên kết - 7,28 kcal/mol), mặc dù năng lượng âm hơn thuốc chuẩn Gefitinib nhưng chỉ tương tác với túi kị nước qua 2 amino acid Lys721, Leu764 và liên kết hydrogen với Glu738. Có thể thấy Perivine hình thành các tương tác không nằm trong vùng hoạt động để có khả năng cạnh tranh cùng với ATP do đó có thể kết luận Perivine có ức chế kém vùng tyrosine kinase của HER1. Lochnerine với năng lượng liên kết -7,19 (kcal/mol), xấp xỉ với thuốc đối chiếu Gefitinib (-7,18 kcal/mol), tuy vậy một điều đáng ngạc nhiên khi Lochnerine không chui vào tương tác vùng hoạt động của HER1 như các hợp chất đang nghiên cứu, do đó Lochnerine hoàn toàn không có khả năng ức chế sự hoạt động quá mức của HER1-TK.
Nhóm hợp chất alkaloid có năng lượng liên kết dương nhất là Vincamine, Horhammericine, Vindoline. Kết quả docking của chúng với HER1-TK được thể hiện ở Bảng 3.6 và Hình 3.8.
Bảng 3.6. Các giá trị năng lượng (kcal/mol) và tương tác của Vincamine, Horhammericine, Vindoline với HER1-TK (PDB: 1M17)
STT Hợp chất Năng lượng liên kết Năng lượng tương tác liên phân tử Năng lượng quay tự do Liên kết hydrogen Các amino acid có tương tác kị
nước với phân tử
1 Vincamine -6,66 -7,86 1,19 Thr830 Leu820, Val702,
Met742, Ala719, Met769, Phe699 2 Horhammericine -6,53 -7,72 1,19 Met769 (2,00 Å), Thr766, Cys751 Lys721, Val702, Leu820, Leu694, Leu768
3 Vindoline -5,39 -7,48 2,09 Val702, Leu820,
Arg817, Phe699, Lys721
Nhóm có năng lượng liên kết dương nhất trong các alkaloid đang xét là Vincamine, Horhammericine và Vindoline (-6,66; -6,53 và -5,39 kcal/mol). Điều này có thể lý giải được khi Vincamine chỉ có tương tác với túi kị nước và chỉ hình thành liên kết hydrogen Thr830, không phải là acid amine chủ chốt để cạnh tranh lại với ATP. Vindoline không tạo liên kết hydrogen, chỉ tương tác kị nước với Val702, Leu820 và Lys721, có một vài liên kết van der Waals nhưng không nằm trong vùng hoạt động của ATP. Một trường hợp đặc biệt là Horhammericine, hình thành tương tác hydrogen với amino acid ở vùng bản lề Met769 (với độ dài liên kết khoảng 2,00 Å), với Thr766 – vùng gatekeeper cho phép tiếp cận vào túi kị nước và Cys751 – acid amin ở phần cuối thùy C dung
môi nội bào; thêm vào đó chui vào tương tác với túi kị nước. Năng lượng liên kết với HER1 của Horhammericine tỏ ra khá dương hơn so với thuốc có thể là do phân tử khối của Horhammericine (368,4 dvC) khá nhỏ hơn các thuốc và cũng nhỏ hơn ATP (khoảng 500 dvC). Như vậy, Horhammericine được kỳ vọng là một chất có thể cạnh tranh được với ATP và ức chế được HER1-TK, việc nghiên cứu kĩ lưỡng hơn về hợp chất này có lẽ là một vấn đề khá thú vị.
A) Vincamine B) Horhammericine
C) Vindoline