CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1. Các phần mềm sử dụng trong nghiên cứu Phần mềm Ứng dụng
Xây dựng các phức chất các hệ phức các kim loại chuyển tiếp chứa Molden phối tử linh hoạt YCp*, ylidone (X(YCp*)2, X(PPh3)2, X(PH3)2),
tetrylene (NHX) (X = C, Si, Ge, Sn, Pb; Y = B, Al, Ga, In, Tl) Gaussian 09 & Tối ưu hóa phức, DFT – De (kcal/mol); DFT – D3 (kcal/mol), tính Turbomole 7.0 liên kết Wiberg – NPA.
Gaussview 05 Tính toán điện tích của các mảnh trong phức.
Tính toán trạng thái tồn tại và bản chất của liên kết dựa trên phương ADF 2016.01
pháp EDA – NOCV.
Xuất cấu trúc của phân tử sau khi đã tối ưu hình học; Xác định hình Chemcraft
dạng các orbital lai hoá và mức năng lượng của phức.
Origin 8.0 Vẽ giản đồ năng lượng của phức và phối tử
Tính toán docking; phân tích tương tác giữa phân tử hợp chất với MOE 2015.01
mục tiêu tác động và biểu diễn tương tác trên mặt phẳng 2D, 3D
2.3.2. Tối ưu hóa hình học
Trong Luận án này, các phân tử nhóm đối xứng C1 được tối ưu hình học bằng chương trình Gaussian 09 [53] kết hợp với Turbomole 6.1 [4], với gradient ở mức lý thuyết BP86 [121] [12]/def2-SVP [133]. Hiệu ứng thế năng tương tác lõi được áp
49
dụng cho việc tính toán đối với các nguyên tố có khối lượng nguyên tử lớn thuộc nhóm 13: In, Tl, nhóm 14: Sn, Pb và kim loại chuyển tiếp Mo, W, Ag, Pt, Pd [99].
Sử dụng phép gần đúng RI để tối ưu cấu trúc bằng các tập cơ sở tương ứng. Tiêu chuẩn hội tụ cho năng lượng trường tự hợp được đặt là 10‒8 a.u và sử dụng mạng lưới biến đổi tích hợp “m4”. Các cấu trúc được tối ưu theo tiêu chuẩn của Gaussian.
Tất cả các cấu trúc được xác định tại điểm có năng lượng thấp nhất trên bề mặt thế năng. Bản chất của điểm dừng trên PES được xác định bằng cách tính tần số ở năng lượng cực tiểu với cùng mức lý thuyết BP86/def2-SVP.
2.3.3. Năng lượng phân ly liên kết khi xét (DFT‒D3) và không xét tới tương tác phân tán (De)
Việc đầu tiên khi tính toán BDE là tối ưu hóa các phức và các phối tử tự do.
Tiếp đến, tính năng lượng phân ly liên kết bằng chương trình NBO 3.1 ở mức lý thuyết BP86/def2-TZVPP//BP86 def2-SVP.
Để có được kết luận quan trọng về hiệu quả tương tác giữa các phối tử và hợp chất trong phức, cần so sánh cách tính BDE khi xét và không xét đến tương tác phân tán của các nhóm thế trong phức, được tính tại mức BP86/def2-TZVPP và mức BP86/ def2-TZVPP-D3, lấy từ tọa độ của tối ưu hình học tại mức BP86/def2-SVP.
2.3.4. Orbital liên kết tự nhiên
Mức lý thuyết tính năng lượng điểm đơn là cùng hàm với tối ưu hóa hình học (BP86), nhưng sử dụng tập cơ sở lớn hơn def2-TZVPP và hiệu ứng thế năng tương tác lõi cho các nguyên tử có khối lượng nguyên tử lớn được tính bằng Gaussian 09, lấy từ tọa độ của tối ưu hóa hình học tại mức BP86/def2-SVP. Ở mức tính này, phép gần đúng RI không được sử dụng. Tiếp theo, tính liên kết Wiberg và phân tích mật độ điện tích tự nhiên trong các phối tử và phức chất tại mức BP86/def2- TZVPP//BP86/def2-SVP, vẽ orbital phân tử và phân tích năng lượng orbital bằng cách sử dụng phương pháp orbital liên kết tự nhiên có sẵn trong Gaussian 09.
2.3.5. Phương pháp phân tách các hợp phần năng lượng gồm năng lượng phân hủy kết hợp với sự dịch chuyển điện tích trong orbital liên kết hóa trị
Sử dụng phương pháp EDA-NOCV để phân tích liên kết và tính toán cấu trúc của phức và phối tử tự do được chạy trên phần mềm ADF 2016.01 [47]. Một bộ
50
phụ trợ của s, p, d, e, g và STO [42] sẽ được sử dụng ứng với mật độ phân tử, đại diện cho Coulomb và thế năng tương quan trao đổi, được xác định một cách chính xác trong mỗi chu kỳ SCF [23]. Hiệu ứng tương đối vô hướng sẽ được kết hợp bằng cách áp dụng các mức gần đúng từ thứ không (ZORA) [45]. Các tính toán được thực hiện tại mức lý thuyết BP86/TZ2P+//BP86/def2-SVP để tối ưu hóa hình học và phân tích bản chất liên kết của hệ phức bằng phương pháp EDA-NOCV ứng với các hệ phân tử nhóm đối xứng C1.
2.3.6. Sơ đồ tổng quan nghiên cứu cấu trúc và tính chất của phức
Cấu trúc, tính chất và bản chất liên kết hóa học của các phức nghiên cứu sẽ được phân tích bằng các phương pháp hóa lượng tử hiện đại (Hình 2.2).
Đối tượng nghiên cứu Molden
Cấu trúc phân tử Gaussian 09
Turbomole 7.1
Cấu trúc phân tử đã tối ưu
& dữ liệu tính toán Gaussian 09
NBO 5.0 BDE – De
BDE ‒ D3
Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát.
Một điều cần lưu ý là từ những khảo sát trước đây cũng như những thăm dò sơ bộ ban đầu cho luận án này, chúng tôi chọn phương pháp BP86 kết hợp với một số hàm cơ sở như def2-SVP, def2-TZVPP, và TZ2P+ cho việc khảo sát cấu trúc và
51
tính chất của các hệ phức được chọn. Do phương pháp này có độ chính xác cao và phù hợp cho việc tính toán lý thuyết của các hợp chất có nhóm đối xứng C1 cho các hệ phức được chọn (nhóm 13 và 14) [50], [52], [141], [150].
2.3.7. Phương pháp mô phỏng lắp ghép phân tử
Sử dụng mô hình docking để dự đoán các dạng năng lượng và tương tác giữa hợp chất với protein ACE2 của thụ thể chủ trong cơ thể người hoặc động vật và protein chính 6LU7 của SARS-CoV-2; khả năng ức chế SARS-CoV-2 của các cấu trúc phân tử nghiên cứu. Kết quả docking tìm ra các dẫn chất tiềm năng từ các hệ chất đã chọn. Quy trình tiến hành mô hình docking mô tả phân tử gồm 5 bước [10], [109], [144], [145]:
2.3.7.1. Lựa chọn và chuẩn bị cấu trúc mục tiêu tác động
- Lựa chọn protein.
- Xác định vị trí gắn kết: Vùng tác động của protein được xác định dựa trên vị trí ligand (bán kính 4,5 Å) và sự hiện diện các amino acid quan trọng. Các phân tử nước được loại bỏ và cấu dạng các amino acid được kiểm tra trước khi tái lập vùng tác động của enzyme.
2.3.7.2. Chuẩn bị cấu trúc phân tử hợp chất
- Xây dựng cấu trúc 3D: Cấu trúc hóa học 2D (cấu trúc phẳng) của các phân tử hợp chất được vẽ chuyển đổi tự động sang cấu trúc hóa học 3D (cấu trúc không gian ba chiều) bằng phần mềm ChemBioOffice 2018.
- Tối thiểu hóa năng lượng: Cấu trúc phân tử 3D của các hợp chất sau đó được tối thiểu hóa năng lượng bằng phần mềm SYBYL-X 1.1 với mục đích sửa chữa các giá trị không phù hợp về độ dài liên kết, góc liên kết, góc xoắn và một số tương tác
không liên kết bất thường do các nguyên tử ở các phần khác nhau của phân tử chiếm cùng một khoảng trống không gian.
2.3.7.3. Mô phỏng lắp ghép lại (Re-docking)
Docking lại cấu trúc ligand đồng kết tinh trong protein: việc docking lại phân tử ligand đồng kết tinh trong cấu trúc tinh thể phối tử nhằm mục đích đánh giá tính phù hợp của các thông số docking. Quá trình này được tiến hành với 3 cấu dạng ligand như sau:
52
- Tách ligand từ phức chất hợp đồng kết tinh trong protein.
-Tách ligand từ phức hợp đồng kết tinh và chuẩn bị lại trong phần mềm Sybyl- X 1.1.
- Chuẩn bị phân tử ligand hoàn toàn mới (vẽ cấu trúc, tối thiểu hóa năng lượng, động lực học phân tử).
Đánh giá giá trị RMSD (Root-mean-square deviation) (thông số cho biết mức độ sai lệch của các cấu dạng ligand trên sau docking so với cấu dạng có sẵn trong cấu trúc tinh thể) và so sánh các tương tác ligand có trong cấu trúc tinh thể và tương tác tạo ra sau khi docking. Kết quả docking thực sự đáng tin cậy khi giá trị RMSD < 1.5 Å và các tương tác giữa các ligand với enzyme ban đầu khác nhau không đáng kể.
2.3.7.4. Docking phân tử vào mục tiêu tác động
- Docking ligand trong cơ sở dữ liệu đã chuẩn bị: Tiến hành quy trình docking bằng phần mềm MOE 2015.10 với các tùy chọn: phương pháp đặt các mảnh ligand vào túi gắn kết là phép tam giác phân (triangle matching); số kết quả tối đa cho mỗi
bước lặp là 1000, số kết quả tối đa cho mỗi sự phân mảnh ligand là 200, giữ lại 5 cấu dạng tốt nhất của mỗi phân tử hợp chất trong phức hợp gắn kết, để tiếp tục phân tích tương tác. Cấu dạng tốt nhất là cấu dạng có điểm số docking thấp nhất (Score – kcal.mol‒1). Điểm số này là tổng năng lượng tiêu thụ cho sự hình thành các tương tác gắn kết giữa phân tử hợp chất với mục tiêu tác động.
2.3.7.5. Phân tích kết quả docking
- Đánh giá điểm số docking: Phân tích tương tác giữa phân tử hợp chất với mục tiêu tác động và biểu diễn tương tác trên mặt phẳng 2D, 3D bằng phần mềm MOE 2015.10 (các liên kết hydrogen, tương tác - , tương tác ion, tương tác cation-
). Các tương tác bề mặt van der Waals được phát hiện bởi sự tiếp xúc các bề mặt thân trước, kỵ nước giữa phân tử hợp chất và điểm gắn kết.
- Đánh giá tương tác ligand-protein.
53