Cơ chế ức chế enzyme Alpha-Glucosidase và Carbonic-Anhydrase của các phức Pd(II)-Hydrazide trong can thiệp điều trị đái tháo đường – thừa cân béo phì

Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 1 * 2019 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> <br /> CƠ CHẾ ỨC CHẾ ENZYME ALPHA-GLUCOSIDASE<br /> VÀ CARBONIC ANHYDRASE CỦA CÁC PHỨC Pd(II)-Hydrazide<br /> TRONG CAN THIỆP ĐIỀU TRỊ ĐÁI THÁO ĐƯỜNG – THỪA CÂN BÉO PHÌ<br /> Nguyễn Trương Công Minh*, Bùi Thị Hồng Châu*<br /> TÓM TẮT<br /> Mở đầu: Enzym có vai trò chính trong quá trình chuyển hóa Carbohydrate là Alpha-Glucosidase. Ngày<br /> càng có nhiều hướng tiếp cận điều trị đái tháo đường bằng cách ức chế hoạt động của Enzym này trong quá trình<br /> tiêu hóa thức ăn, giảm tốc độ tiêu thụ Carbohydrate của cơ thể. Carbonic Anhydrase là các Metalloprotein có<br /> chứa kẽm, xúc tác chuyển hóa Carbon dioxide thành các ion Bicarbonate. Enzym này tham gia vào các quá trình<br /> sinh học quan trọng của cơ thể bao gồm: Sự tân tạo Glucose, sự sinh mỡ. Đồng thời, đó cũng là mục tiêu của<br /> nhiều liệu pháp điều trị các rối loạn thần kinh, thừa cân béo phì, viêm loét dạ dày tá tràng. Một số ion kim loại và<br /> phức tạo thành, điển hình như phức ion kim loại Pd(II)-Hydrazide, trong nhiều nghiên cứu trên thế giới, cho<br /> thấy có biểu hiện các hoạt tính sinh học quan trọng như: Kháng nấm, chống oxi hóa, v.v... Trong đó phải kể đến<br /> hiệu quả hỗ trợ điều trị thừa cân béo phì khi được dùng làm tác nhân ức chế 2 Enzym Alpha-Glucosidase và<br /> Carbonic Anhydrase.<br /> Mục tiêu: Góp phần hiểu rõ thêm cơ chế ức chế, đánh giá các kiểu tương tác đặc hiệu ảnh hưởng đến hiệu<br /> quả ức chế 2 Enzym, có vai trò quan trọng trong quá trình điều hòa chuyển hóa Carbohydrate của cơ thể.<br /> Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng các phương pháp hóa tính toán bao gồm: Xây dựng và tối ưu hóa cấu<br /> trúc 5 hợp chất là phức ion kim loại Pd(II)-Hydrazide, thiết lập mô hình tương tác ức chế với 2 Enzym Alpha-<br /> Glucosidase và Carbonic Anhydrase, khảo sát tương quan giữa năng lượng gắn kết Enzym với nồng độ ức chế<br /> thực nghiệm IC50.<br /> Kết quả: Thiết lập được mô hình ức chế 2 Enzym với 5 hợp chất phức ion Pd(II), trong đó các lực<br /> tương tác chủ yếu là: tương tác tĩnh điện, tương tác Hydrogen, tương tác pi-cation, tương tác pi-alkyl,<br /> tương tác pi-sigma và tương tác pi-pi (dạng chữ T). Tương tác tĩnh điện và các tương tác pi giữa vòng<br /> thơm, nhóm -(NH2-NH)- thuộc chất ức chế với các đơn vị amino acid thuộc 2 Enzym có vai trò quan trọng,<br /> quyết định hiệu quả ức chế Enzym.<br /> Kết luận: Hoạt tính ức chế 2 Enzym của 5 hợp chất khảo sát có tương quan mật thiết với các yếu tố liên<br /> quan đến khả năng cho nhận điện tích bao gồm: hệ thống vòng thơm và nhóm -(NH2-NH)-.<br /> Từ khóa: Alpha-Glucosidase, Carbonic Anhydrase, Protein docking<br /> ABSTRACT<br /> ALPHA-GLUCOSIDASE AND CARBONIC ANHYDRASE INHIBITION BY Pd (II)-Hydrazide<br /> COMPLEXES IN DIABETES AND OBESITY TREATMENT<br /> Nguyen Truong Cong Minh, Bui Thi Hong Chau<br /> * Ho Chi Minh City Journal of Medicine * Supplement of Vol. 23 - No 1- 2019: 181-186<br /> Background: The enzyme that plays a major role in carbohydrate metabolism is Alpha-Glucosidase. There<br /> are more approaches in order to treat diabetes by inhibiting the activity of this enzyme in the digestive process,<br /> reducing the rate of carbohydrate consumption of the body. Carbonic Anhydrase is a zinc-containing<br /> <br /> <br /> *Bộ môn Hoá Sinh, Khoa Y, Đại học Y Dược TP. Hồ Chí Minh<br /> Tác giả liên lạc: ThS. Nguyễn Trương Công Minh ĐT: 0769635368 Email: congminh.ngtruong@gmail.com<br /> <br /> <br /> Chuyên Đề Nội Khoa 181<br /> Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 1 * 2019<br /> <br /> metalloprotein that catalyzes the conversion of carbon dioxide into bicarbonate ions. This enzyme participates in<br /> important biological processes of the body including: Gluconeogenesis, fat production. At the same time, it is also<br /> the goal of neurological disorders, obesity and peptic ulcer disease treatments. A number of metal and complex<br /> ions, such as the metal ion complexes Pd (II) -Hydrazide, have been shown in many studies worldwide to show<br /> the significant biological activity such as: Antifungal, antioxidant, etc., including the effect of supporting<br /> overweight and obesity treatment when used as inhibitors of Alpha-Glucosidase and Carbonic Anhydrase.<br /> Objects: Contributing to understanding the inhibition mechanism, evaluating specific types of interactions<br /> that affect the inhibition of the two enzymes, playing an important role in regulating carbohydrate metabolism of<br /> the body.<br /> Methods: Using the computational chemistry methods including building and optimizing the structures of<br /> the five metal ion complexes Pd (II) -Hydrazide, modeling interactions with Alpha-Glucosidase and Carbonic<br /> Anhydrase, examining the relationship between docking energy and the experiment enzyme inhibitory<br /> concentration IC50.<br /> Results: The model of the inhibition of the two enzymes was constructed with the five metal ion complexes<br /> Pd (II) -Hydrazide, in which the major interaction forces are: Electrostatic interaction, Hydrogen interaction, pi-<br /> cation interaction, pi-alkyl interaction, pi-sigma interaction and pi-pi interaction (T-shape). Electrostatic<br /> interaction and pi interactions – between the aromatic rings, the -(NH2-NH)- group, belonging to the inhibitors,<br /> and the amino acid units of the two enzymes – play an important role in determining the enzyme inhibitory effect.<br /> Conclusion: Inhibition activity of two enzymes of five investigated compounds is strongly correlated<br /> with factors related to the ability of accepting and donating charges including aromatic ring systems and -<br /> (NH2-NH)- groups.<br /> Keywords: Alpha-Glucosidase, Carbonic Anhydrase, Protein docking<br /> ĐẶT VẤN ĐỀ viêm loét dạ dày tá tràng v.v...<br /> Đái tháo đường là một rối loạn mạn tính, có Một số ion kim loại và phức tạo thành, điển<br /> những thuộc tính sau: Tăng glucose máu, kết hình như phức ion kim loại Pd(II)-Hydrazide(5),<br /> hợp với những bất thường chuyển hoá trong nhiều nghiên cứu trên thế giới, cho thấy có<br /> carbohydrate, lipid và protein. Bệnh luôn gắn biểu hiện các hoạt tính sinh học quan trọng như:<br /> liền với xu hướng phát triển các bệnh lý về thận, Kháng nấm, chống oxi hóa(3), v.v... Trong đó phải<br /> đáy mắt, thần kinh và các bệnh tim mạch do hậu kể đến hiệu quả hỗ trợ điều trị thừa cân béo phì<br /> quả của xơ vữa động mạch(1). khi được dùng làm tác nhân ức chế 2 Enzym<br /> Enzym có vai trò chính trong quá trình Alpha-Glucosidase và Carbonic Anhydrase.<br /> chuyển hóa carbohydrate là Alpha-Glucosidase. Theo các luận điểm nêu trên, đề tài được<br /> Ngày càng có nhiều hướng tiếp cận điều trị đái tiến hành nhằm mục đích khảo sát cơ chế ức<br /> tháo đường bằng cách ức chế hoạt động của chế 2 Enzym này của các phức Pd(II)-<br /> Enzym này trong quá trình tiêu hóa thức ăn, Hydrazide được tổng hợp bởi Qurrat-ul-Ain(5)<br /> giảm tốc độ tiêu thụ carbohydrate của cơ thể. và đồng nghiệp thuộc khoa Hóa học, Đại học<br /> Carbonic Anhydrase là các metalloprotein có Karachi, Pakistan. Đồng thời, đánh giá các yếu<br /> chứa kẽm, xúc tác chuyển hóa carbon dioxide tố cấu trúc có ảnh hưởng quan trọng đến hoạt<br /> thành các ion bicarbonate. Enzym này tham gia tính ức chế 2 Enzym.<br /> vào các quá trình sinh học quan trọng của cơ thể PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> bao gồm: Sự tân tạo glucose, sự sinh mỡ v.v... Xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc 3D của 5<br /> Đồng thời cũng là mục tiêu của nhiều liệu pháp hợp chất phức bằng phần mềm Gaussian 09w và<br /> điều trị các rối loạn thần kinh, thừa cân béo phì,<br /> <br /> <br /> 182 Chuyên Đề Nội Khoa<br /> Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 1 * 2019 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> Gaussview 5.0 theo phương pháp HF tập cơ sở<br /> 3-21G(4).<br /> Thiết lập mô hình tương tác ức chế với<br /> Enzym Alpha-Glucosidase và Carbonic<br /> Anhydrase bằng phần mềm Autodock –<br /> Autodock vina(2,6).<br /> Khảo sát tương quan giữa năng lượng gắn<br /> kết Enzym với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50,<br /> sử dụng phần mềm Statgraphics Centurion XVI.<br /> Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng về mặt cấu<br /> trúc, kiểu tương tác chủ yếu quyết định hiệu quả<br /> Hình 1: Cấu trúc Carbonic Anhydrase<br /> ức chế Enzym.<br /> ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU<br /> Đối tượng nghiên cứu là: 2 Enzym Alpha-<br /> Glucosidase và Carbonic Anhydrase và 5 hợp<br /> chất phức đã được tác giả Qurrat-ul-Ain và đồng<br /> nghiệp nghiên cứu tổng hợp và xác định hoạt<br /> tính ức chế bằng thực nghiệm, IC50 (M).<br /> PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH<br /> Cơ sở dữ liệu<br /> Cấu trúc Carbonic Anhydrase (Hình 1),<br /> Alpha-Glucosidase (Hình 2) và 5 hợp chất phức<br /> Hình 2: Cấu trúc Alpha-glucosidase<br /> (Hình 3).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3: Cấu trúc 5 hợp chất phức Pd(II)-Hydrazide<br /> <br /> <br /> <br /> Chuyên Đề Nội Khoa 183<br /> Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 1 * 2019<br /> <br /> <br /> Phương pháp Hóa tính toán – mô phỏng cấu kết ưu đãi, hình thành phức hợp protein – ligand<br /> trúc phân tử 3D bền vững. Sự định hướng thuận lợi của ligand<br /> Hóa tính toán mô phỏng cấu trúc phân tử trên protein được biểu diễn thông qua độ bền<br /> dựa trên nền tảng các định luật vật lý, cho phép liên kết hoặc ái lực gắn kết giữa 2 phân tử, sử<br /> nghiên cứu các tính chất hóa học – hiện tượng dụng các hàm tính điểm (scoring functions). Bản<br /> xảy ra trong hóa học thông qua việc tính toán chất của quá trình mô phỏng tương tác chính là<br /> trên máy tính. tối ưu hóa hình dạng 2 phân tử protein – ligand<br /> cũng như liên kết giữa chúng sao cho năng<br /> Hóa tính toán gồm 2 mô hình mô phỏng<br /> lượng tự do toàn hệ thống đạt cực tiểu.<br /> cấu trúc phân tử: mô hình cơ học phân tử và<br /> mô hình cơ học lượng tử. Cả hai đều tập trung Đề tài sử dụng phương pháp Protein<br /> thực hiện các tính toán cơ bản giống nhau bao docking trong phần mềm Autodock – Autodock<br /> gồm: năng lượng, tối ưu hóa hình dạng, tần số vina để khảo sát mô hình tương tác ức chế giữa<br /> dao động. các phức với 2 Enzym, nhằm mục đích cung cấp<br /> các thông tin quan trọng về năng lượng gắn kết<br /> Mô hình cơ học lượng tử, phương pháp HF<br /> Enzym và loại lực tương tác đặc trưng như:<br /> (Hartree Fock) với tập cơ sở 3-21G, được sử<br /> tương tác van der Waals, tương tác tĩnh điện,<br /> dụng trong đề tài để xây dựng và tối ưu hóa<br /> tương tác π – π và liên kết Hydrogen.<br /> cấu trúc phân tử của các hợp chất phức Pd(II)-<br /> Hydrazide gồm các nguyên tố H, C, F, Cl, Pd, KẾT QUẢ<br /> N và O. Mô hình tương tác ức chế Carbonic Anhydrase<br /> Phân tích hồi quy và Alpha-Glucosidase<br /> Sử dụng phần mềm Statgraphics Centurion Sử dụng phần mềm Autodock – Autodock<br /> XVI 16.1.18, với công cụ phân tích tương quan vina lần lượt thiết lập mô hình tương tác ức chế<br /> đa biến (Multiple - Variable Analysis với 2 Enzym của 5 hợp chất phức đã được tối ưu<br /> (Correlations)), khảo sát sự tương quan giữa hóa cấu trúc bằng phương pháp Protein docking<br /> năng lượng gắn kết Enzym với nồng độ ức chế với thuật toán gen Lamarck (Lamarckian Genetic<br /> thực nghiệm IC50, có ý nghĩa thống kê với p