P hn mềm gắn kết AutoDock và động lực phân tử GROMACS
4.2.3.do cho sự khác biệt trong hoạt tính giữa MC1 và NC
Các phân tích trên đây cho thấy rằng liên kết N-C của -lactam được phân tách dễ dàng hơn trong NC1. Điều này có thể là do sự khác biệt trong năng lượng căng của vòng bốn cạnh trong MC1 và NC1. Để kiểm tra giả thuyết này, chúng tôi tiến hành phân tích sâu hơn bằng cách sử dụng các phối tử MC1 và NC1 và các phối tử đơn giản, cụ thể là, thiazolidine và
dihydrothiazine, tương ứng (Hình 4.10). Các phối tử thực có mạch vòng bốn
cạnh, có năng lượng căng lớn vì các góc CNC nhỏ (). Các phân tử đơn giản không có một vòng bốn cạnh -lactam, và do đó không lưu trữ năng lượng căng. Trong phối tử đơn giản các nguyên tử cacbon gắn liền với các vòng năm hoặc sáu cạnh được thay thế bằng các nguyên tử hydrọ Góc căng được định nghĩa là của phân tử thực, tương ứng với của các phân tử đơn giản.
Hình 4.10. Xác định về góc căng của phối tử MC1 và NC1 và các mô hình đơn giản hóạ
131
Mức độ căng tương đối (hoặc giải phóng sức căng) của -lactam có thể được tính là | - |. Bảng 4.6 tóm tắt các mức độ góc căng (theo đơn vị đo độ của góc) cho các phối tử thực tế và đơn giản hóạ Các giá trị cho MC1 (94.2o) và NC1 (95.1o) là tương tự, bởi vì sự sắp xếp bốn cạnh chặt chẽ của các nguyên tử. Tuy nhiên, các giá trị cho các phối tử đơn giản hóa là khác nhau đáng kể: 109.1o cho MC1 và 114.3o cho NC1. Chủ yếu là vì sự khác biệt lớn trong giá trị , | - | giá trị của NC1 là lớn hơn so với MC1 4.3o. Điều này chỉ ra rằng NC1 tàng trữ năng lượng biến dạng lớn hơn ở phần -lactam, và ổn định lớn hơn có thể đạt được khi liên kết N-C bị phá vỡ.
Bảng 4.6. Góc căng của các phối tử (theo độ), như được xác định trong hình 4.10
α |α–β|
MC1 94.2 109.1 14.9
NC1 95.1 114.3 19.2
Lý do tại sao trang thái trung gian (Int') là rất ổn định trong phản ứng của NC1 có thể là do một sự ổn định cộng hưởng lớn hơn (Hình 4.11). Nhóm thế đính kèm vòng dihydrothiazine sáu cạnh cho phép các điện tích âm trên Nitơ của -lactam tạo ra sau khi cắt đứt liên kết N-C được định vị lại đáng kể, chắc chắn. Thật vậy, Int' được ổn định ít hơn nhiều trong NC1' so với của NC1, bởi vì nó không có nhóm thế liên hợp trên vòng sáu cạnh, do đó nó hỗ trợ giả thuyết của chúng tôi (Bảng 4.5).
–NH H O NH S O HO NO2 NO2 O Ser N H O NH S O HO NO2 NO2– O Ser ...
132
Yếu tố điện tích nguyên tử Mulliken
Bảng 4.7. Điện tích nguyên tử Mulliken của methicillin
number atom atomic name atomic charge number atom atomic name atomic charge 1 S -0.0201724 C -0.20822 2 C -0.0844525 O -0.50059 3 C -0.0549526 C -0.2153 4 N -0.3681327 H 0.144029 5 C -0.1092728 H 0.171918 6 C -0.4407429 H 0.186452 7 C 0.56126 30 H 0.15941 8 O -0.4985431 H 0.11296 9 C -0.0843232 H 0.193581 10 C -0.4557233 H 0.135372 11 C 0.56721434 H 0.196294 12 O -0.6230735 H 0.113891 13 O -0.6030536 H 0.3443 14 N -0.5620637 H 0.121433 15 C 0.57963638 H 0.117242 16 O -0.5175339 H 0.118487 17 C -0.0910540 H 0.143293 18 C 0.34810341 H 0.172508 19 C -0.1992242 H 0.143704 20 C -0.1403943 H 0.138845 21 C -0.2025144 H 0.146587 22 C 0.35727845 H 0.195396 23 O -0.48993
133
Bảng 4.9. Điện tích nguyên tử Mulliken của mô hình SER403
1 H 0.129213
2 C -0.20511
Bảng 4.8. Điện tích nguyên tử Mulliken của nitrocefin
Number Atom atomic name atomic charge number atom atomic
name atomic charge
1 S 0.087784 26 H 0.19442 2 N -0.4632 27 H 0.153777 3 C 0.215177 28 C -0.51514 4 O -0.43621 29 H 0.184851 5 C 0.630893 30 H 0.19381 6 O -0.5144 31 C -0.34737 7 C -0.13662 32 H 0.161878 8 C 0.539205 33 C -0.10178 9 O -0.58572 34 H 0.132539 10 O -0.56038 35 C -0.11087 11 C 0.186571 36 H 0.170663 12 C 0.173956 37 C 0.586509 13 C 0.273615 38 C -0.13289 14 N 0.35261 39 H 0.218504 15 O -0.40638 40 C -0.25788 16 O -0.4069 41 H 0.164753 17 N 0.357438 42 C -0.22641 18 O -0.41789 43 H 0.193661 19 O -0.42243 44 C -0.14112 20 C -0.11951 45 H 0.177606 21 H 0.18575 46 C -0.18609 22 C 0.063049 47 H 0.20623 23 C -0.10593 48 N -0.58652 24 H 0.209325 49 H 0.345869 25 C -0.40931 50 S 0.230489
134
3 H 0.161328
4 H 0.129133
5 O -0.60503
6 H 0.39047
Bảng 4.7, Bảng 4.8, Bảng 4.9 biểu diễn điện tích nguyên tử Mulliken
của methicillin, nitrocefin, SER403 cho thấy các vị trí nguyên tử được in đậm là O(5) của SER403, C(8), C(37) của nitrocefin, C(7) và C(11) của methicillin có trị tuyệt đối giá trị điện tích Mulliken lớn. Điều này một lần nữa kiểm chứng khả năng phản ứng giữa Oxi(5) của SER403 với Cacbon(7) của methicillin, Cacbon (8) của nitrocefin thuận lợi bởi yếu tố tĩnh điện trước khi phản ứng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.2.4. Thảo luận
Chúng tôi đã nghiên cứu các phản ứng axyl hóa của các phối tử MC1 và NC1 với enzym PBP2a, bằng cách sử dụng các mô hình tâm hoạt động và các mô hình enzym. Kết quả chỉ ra rằng hàng rào năng lượng cho các phản ứng NC1 là thấp hơn so với phản ứng MC1 khoảng 10 kcal/mol. Điều này là phù hợp với tốc độ axyl hóa cao hơn của NC1 so với trường hợp của MC1. Cơ chế của quá trình axyl hóa của NC1 là hơi khác so với của MC1. Phản ứng giữa NC1 và PBP2a ngay ở bước đầu tiên đã dẫn tới một trung gian tương tự như sản phẩm. Bước thứ hai chỉ liên quan đến sự chuyển dịch proton từ Oxy của nhóm cacboxyl tới nguyên tử Nitơ trong vòng bốn cạnh. Hàng rào thứ hai thấp hơn nhiều so với hàng rào của bước đầu tiên. So với phối tử MC1, sức căng vòng 4 cạnh của phối tử NC1 lớn hơn, mà dường như đây là lý do chính cho tốc độ axyl hóa tăng lên trong phản ứng với PBP2a của NC1. Ngoài ra, cũng có khả năng do tác động cộng hưởng của các điện tử liên hợp góp phần để hoạt tính NC1 cao hơn.
135
Mặc dù NC1 có hoạt tính cao hơn nhưng vẫn còn chỗ cho sự cải thiện hoạt tính trong phân tử. Để cải thiện hoạt tính ức chế của β-lactam chúng tôi đề xuất hai chiến lược đầy hứa hẹn tập trung vào bước axyl hóạ Chiến lược đầu tiên là để giảm các tác động bất ổn định điện, có thể được thực hiện bằng cách thiết kế cẩn thận nhóm thế. Thứ hai là hàng rào hoạt hóa cho phản ứng axyl hóa giữa -lactam và Ser403 cần được hạ xuống. Về bản chất, yếu tố quyết định chìa khóa của chiều cao hàng rào là sự căng vòng và hiệu ứng cộng hưởng. Các khía cạnh này có thể không được kiểm tra với các phương thức gắn kết thông thường. Thay vào đó, việc sử dụng các phương pháp cơ học lượng tử là cần thiết, và chúng tôi tin rằng đây sẽ là cách thiết kế các loại thuốc hỗ trợ bằng máy tính trong tương laị
136
KẾT U N
1. Sự thay đổi cấu hình vùng tâm hoạt động của phức nitroxefin lớn hơn hẳn so với phức methicillin nên sự sắp xếp lại xoắn α2 đầu N và nếp gấp β3 trong vùng hoạt động là một trong các lý do gây khó khăn (hay chính là tính kháng thuốc) cho việc tiếp cận của cơ chất vào vùng hoạt động của PBP2ạ
2. Tính linh động hơn của phân tử chất kháng sinh nitrocefin so với methicillin cũng như của một số axit amin vùng hoạt động cũng dẫn đến khả năng tạo phức dễ dàng hơn của nitrocefin.
3. Từ hai yếu tố trên có thể đánh giá hằng số phân ly Kd của phức không cộng hóa trị michaelis phụ thuộc và sự thay đổi cấu hình, năng lượng của quá trình thay đổi cấu hình protein và tính linh động của phân tử chất thụ động. Điểm mới ở đây là ngoài cấu hình thay đổi của protein PBP2a mà Lim và Strynaka đề xuất còn có cấu hình khác của khe hẹp β3Z và tính linh động của phối tử, một số axit amin vùng tâm hoạt động cũng quyết định khả năng tạo phức không cộng hóa trị giữa các kháng sinh nitrocefin, methicillin với PBP2ạ
4. Trong việc thiết kế các chất ức chế β-lactam hiệu quả hơn, giảm giá trị Kd được kì vọng là góp công lớn để cải thiện tốc độ axyl hóa tổng (K2/Kd). Phù hợp với điều này, ái lực cao hơn của một vài cephalosporins cho PBP2a liên quan đến nhóm thế dài hơn của chúng, sẽ cung cấp một phần bù có cấu hình tốt hơn cho rãnh hẹp của tâm hoạt động và cho phép nhiều tương tác làm bền không cộng hóa trị hơn. Một cách thay thế, các hợp chất không phải β- lactam không liên kết cộng hóa trị mà liên kết chặt chẽ với tâm hoạt động không cần đến quá trình axyl hóa cũng có thể là các chất ức chế hiệu quả. Các chất ức chế không liên kết cộng hóa trị sẽ không đòi hỏi sự thay đổi cấu hình phải thuận lợi như trong PBP2a đòi hỏi cho sự axyl hóạ
137
5. Cơ chế của nitrocefin khác cơ chế của methicillin trong quá trình tạo phức cộng hóa trị với PBP2a ở đặc điểm phản ứng dẫn đến rất gần với sản phẩm ở ngay bước thứ nhất. Bước thứ hai chỉ bao gồm quá trình chuyến dịch của hidro từ oxi của nhóm cacboxyl đến nitơ của vòng 4 cạnh.
6. Hàng rào năng lượng của methicillin cao hơn rất nhiều so với hàng rào của nitrocefin ở bước thứ nhất là tạo thành liên kết C–O, ở bước thứ hai gần như là không có hàng rào năng lượng nên nếu bỏ qua yếu tố trước hàm mũ, thì tốc độ axyl hóa (K2) của nitrocefin nhanh hơn so với methicillin.
7. So với methicillin, sức căng vòng 4 cạnh của nitrocefin lớn hơn, mà dường như đây là lý do chính cho tốc độ axyl hóa tăng lên trong phản ứng với PBP2a của nitrocefin. Ngoài ra, cũng có khả năng do tác động cộng hưởng góp phần để hoạt tính nitrocefin cao hơn.
8. Ảnh hưởng của môi trường protein làm cho hàng rào năng lượng cao hơn hàng rào trong pha khí. Điều này dẫn tới các chất ức chế sẽ rất khó khi tấn công tâm hoạt hóa SER403 của PBP2ạ
9. Để cải thiện hoạt tính ức chế của β-lactam (tức là tăng giá trị K2) chúng tôi đề xuất hai chiến lược đầy hứa hẹn tập trung vào bước axyl hóạ Chiến lược đầu tiên là để giảm thiểu các tác động bất ổn định điện, có thể được thực hiện bằng cách thiết kế cẩn thận nhóm thế. Thứ hai là hàng rào hoạt hóa cho phản ứng axyl hóa giữa -lactam và Ser403 cần được hạ xuống. Về bản chất, yếu tố quyết định chìa khóa của chiều cao hàng rào là sự căng vòng và hiệu ứng cộng hưởng. Các khía cạnh này có thể không được kiểm tra với các phương pháp gắn kết thông thường. Thay vào đó, việc sử dụng các phương pháp cơ học lượng tử là cần thiết, và chúng tôi tin rằng đây sẽ là cách thiết kế các loại thuốc hỗ trợ bằng máy tính trong tương laị
140