Khảo sát mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất β-lactam bằng phương pháp hóa tính toán sử dụng kỹ thuật protein docking

Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ bản của Số 1 * 2016 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> <br /> KHẢO SÁT MÔ HÌNH ỨC CHẾ ENZYME ACETYLCHOLINESTERASE<br /> BỞI CÁC DẪN XUẤT β-LACTAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA<br /> TÍNH TOÁN SỬ DỤNG KỸ THUẬT PROTEIN DOCKING<br /> Nguyễn Trương Công Minh*, Lê Xuân Trường*, Lê Thị Xuân Thảo*<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Mở đầu: Acetylcholinesterase là enzyme thủy giải acetylcholine nội sinh, có vai trò là chất dẫn truyền xung<br /> thần kinh trong hệ thần kinh trung ương và ngoại biên. Trong các chất ức chế Acetylcholinesterase, nhóm các dẫn<br /> xuất β-lactam đã được nghiên cứu tổng hợp và cho thấy có nhiều hoạt tính sinh học vượt trội đặc biệt là khả năng<br /> kháng khuẩn, kháng viêm, ngăn ngừa ung thư. Khảo sát mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase bởi các dẫn<br /> xuất này sẽ mở ra triển vọng định hướng cho nhiều nghiên cứu, ứng dụng trong tương lai nhằm mục đích hỗ trợ<br /> điều trị có hiệu quả các biến chứng thần kinh mắc phải.<br /> Mục tiêu: Khảo sát mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất β-lactam bằng phương<br /> pháp hóa tính toán với kỹ thuật protein docking. Qua đó, thực hiện tiên lượng, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới<br /> hiệu quả ức chế enzyme, góp phần định hướng cho các nhà nghiên cứu tương lai xây dựng mô hình chất ức chế<br /> hiệu quả hơn.<br /> Phương pháp nghiên cứu: Xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc 11 dẫn xuất β-lactam và chất ức chế so sánh<br /> Donepezil, sử dụng phần mềm Hyperchem 8.0.10; thiết lập mô hình tương tác ức chế với enzyme<br /> Acetylcholinesterase, đồng thời khảo sát tương quan giữa năng lượng gắn kết enzyme với nồng độ ức chế thực<br /> nghiệm IC50, sử dụng phần mềm Autodock – Autodock vina và Statgraphics Centurion XVI. Đánh giá các yếu<br /> tố ảnh hưởng về mặt cấu trúc đến hiệu quả ức chế enzyme.<br /> Kết quả: Thiết lập được mô hình ức chế enzyme Acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất β-lactam và chất ức<br /> chế so sánh Donepezil, bao gồm các lực tương tác chủ yếu là: tương tác van der Waals, tương tác tĩnh điện, tương<br /> tác π – π và liên kết Hydrogen. Trong đó, tương tác tĩnh điện và tương tác π – π giữa chất ức chế với các đơn vị<br /> amino acid thuộc enzyme Acetylcholinesterase có vai trò quan trọng, quyết định hiệu quả ức chế enzyme. Tương<br /> tác π – π càng lớn, với hệ thống vòng thơm càng nhiều và tương tác tĩnh điện càng mạnh, với hệ thống nhóm thế<br /> tại vị trí para có độ âm điện càng cao thì xu hướng năng lượng tương tác ức chế và nồng độ ức chế IC50 càng<br /> thấp.<br /> Kết luận: Hoạt tính ức chế enzyme Acetylcholinesterase của các dẫn xuất có tương quan mật thiết với các<br /> yếu tố ảnh hưởng về mặt cấu trúc bao gồm: hệ thống vòng thơm và nhóm thế, được chi phối bởi hiệu quả các lực<br /> tương tác tĩnh điện và tương tác π – π giữa chất ức chế với các đơn vị amino acid thuộc enzyme. Cấu trúc chất<br /> ức chế có hệ thống vòng thơm càng nhiều với các nhóm thế tại vị trí para có độ âm điện càng cao thì xu hướng có<br /> hoạt tính ức chế enzyme càng lớn.<br /> Từ khóa: Acetylcholinesterase, β-lactam, Protein docking, Hóa tính toán<br /> ABSTRACT<br /> MODELING INHIBITION OF ACETYLCHOLINESTERASE BY β-LACTAM DERIVATIVES USING<br /> COMPUTATIONAL CHEMISTRY METHODS WITH PROTEIN DOCKING<br /> Nguyen Truong Cong Minh, Le Xuan Truong, Le Thi Xuan Thao<br /> * Y Hoc TP. Ho Chi Minh * Vol. 20 - Supplement of No 1 - 2016: 59 - 66<br /> <br /> *Bộ môn Hóa sinh, ĐH Y Dược TP Hồ Chí Minh<br /> Tác giả liên lạc : ThS. Nguyễn Trương Công Minh ĐT: 01269635368 Email: congminh.ngtruong@gmail.com<br /> <br /> Khoa học Cơ bản 59<br /> Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ bản của Số 1 * 2016<br /> <br /> Background: Acetylcholinesterase is a hydrolytic enzyme of endogenous acetylcholine, acting as<br /> neurotransmitters in the central and periphery nervous system. In a group of the enzyme inhibitors, β-lactam<br /> derivatives are synthesized showing more superior biological activity, especially antibacterial, anti-inflammatory,<br /> anti-cancer. Modeling inhibition of acetylcholinesterase by these derivatives should open up prospects for more<br /> research oriented, future applications aimed at supporting the effective treatment of neurological complications.<br /> Objects: Setting model of acetylcholinesterase inhibition by β-lactam derivatives by computational chemistry<br /> methods and protein docking to evaluate factors of affecting enzyme inhibitory effect, contributing to the<br /> orientation for future researchers in order to build more effective inhibitor models.<br /> Methods: Building and optimizing the structures of eleven β-lactam derivatives and Donepezil, which is the<br /> comparative inhibitor, using HyperChem 8.0.10 software; Modeling interactions with acetylcholinesterase and<br /> examining the relationship between docking energy and the experiment enzyme inhibitory concentration IC50,<br /> using Autodock – Autodock vina and Statgraphics Centurion XVI softwares; Evaluating of structural factors of<br /> affecting efficiency of enzyme inhibition.<br /> Results: The result model of acetylcholinesterase inhibition by β-lactam derivatives and Donepezil, the<br /> comparative inhibitor, shows the interaction forces including van der Waals interaction, electrostatic interaction,<br /> π - π interaction and hydrogen binding. In particular, the electrostatic interaction and π - π interaction between<br /> inhibitors and amino acids structuring the acetylcholinesterase has an important role, affecting an effective of the<br /> enzyme inhibition. The stronger the π - π interaction is – with the structural system of more aromatic rings and<br /> the stronger the electrostatic interaction is – with the structural system of more substituents at the para position<br /> that have the highest electronegativity, the lower the docking energy value together with the experiment IC50 of<br /> acetylcholinesterase inhibitors is.<br /> Conclusion: Acetylcholinesterase inhibitory activity of β-lactam derivatives and the comparative inhibitor is<br /> closely correlated with structural factors including the aromatic ring system and the substituents, governed by the<br /> efficiency of electrostatic interactions and π - π interactions between the inhibitors with amino acid units of the<br /> enzyme. The structure of inhibitors, which has more aromatic rings with higher electronegativity of substituents<br /> at the para position, has a tendency to increase the enzyme inhibitory activity of these inhibitors.<br /> Keywords: Acetylcholinesterase, β-lactam, Protein docking, Computational chemistry.<br /> ĐẶT VẤN ĐỀ các hội chứng thần kinh bao gồm thoái hóa thần<br /> kinh (Alzheimer), nhược cơ, tăng nhãn áp v.v.<br /> Cholinesterase thuộc họ enzyme xúc tác Chất ức chế hồi phục điển hình là Donepezil,<br /> phản ứng thủy phân chất dẫn truyền thần kinh gắn kết vào tâm hoạt động anion ngoại biên trên<br /> Acetylcholine thành Choline và acid acetic, có<br /> enzyme AChE, hỗ trợ điều trị các triệu chứng và<br /> vai trò điều hòa quá trình sinh tổng hợp tăng cường khả năng nhận thức trên những<br /> Acetylcholine trong hệ thần kinh. Enzyme này bệnh nhân Alzheimer(6).<br /> được phân loại thành: Acetylcholinesterase và<br /> β-lactam thuộc nhóm chất ức chế hồi phục,<br /> Butyrylcholinesterase.<br /> được nhiều nhà nghiên cứu khẳng định có các<br /> Các chất ức chế AChE chủ yếu làm tăng hoạt tính sinh học nổi trội như kháng khuẩn,<br /> nồng độ Acetylcholine nội sinh, thúc đẩy và duy kháng viêm, ngăn ngừa ung thư(2,3,5) v.v, là<br /> trì phản ứng dẫn truyền xung thần kinh đến các<br /> nguồn nguyên liệu chính trong tổng hợp Hóa<br /> mô và cơ quan. Căn cứ vào phương thức ức chế, Dược. Năm 2014, Karthikeyan Elumalai và cộng<br /> chất ức chế AChE được chia thành 2 nhóm: ức sự đã tổng hợp và xác định thành công nồng độ<br /> chế hồi phục và không hồi phục. Chất ức chế hồi ức chế IC50 của các dẫn xuất β-lactam(4), mở ra<br /> phục có nhiều ứng dụng trong liệu pháp chữa trị nhiều hướng nghiên cứu mới trong tương lai,<br /> <br /> <br /> 60 Chuyên Đề Khoa học Cơ bản – Y tế Công cộng<br /> Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 20 * Phụ bản của Số 1 * 2016 Nghiên cứu Y học<br /> <br /> phát triển và ứng dụng các dẫn xuất này trong Cấu trúc Acetylcholinesterase (Hình 1) và 11<br /> chẩn đoán và điều trị bệnh. dẫn xuất β-lactam (Hình 2) với hoạt tính ức chế<br /> Tiếp nối hướng nghiên cứu của Karthikeyan thực nghiệm IC50 (M) (Bảng 1).<br /> Elumalai, đề tài được tiến hành với mục đích xây<br /> dựng mô hình ức chế enzyme<br /> Acetylcholinesterase bởi các dẫn xuất này, đồng<br /> thời đưa ra những dự đoán về hiệu quả ức chế<br /> phù hợp với số liệu thực nghiệm, song song đó<br /> xác định các yếu tố ảnh hưởng về mặt cấu trúc<br /> đến khả năng ức chế enzyme.<br /> ĐỐITƯỢNG-PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU Hình 2: Cấu trúc tổng quát của các dẫn xuất β-<br /> lactam với nhóm thế R.<br /> Đối tượng nghiên cứu<br /> Enzyme Acetylcholinesterase và 11 dẫn xuất Phương pháp Hóa tính toán – mô phỏng cấu<br /> β-lactam với chất ức chế so sánh Donepezil, đã trúc phân tử 3D<br /> được tác giả Karthikeyan Elumalai nghiên cứu Hóa tính toán mô phỏng cấu trúc phân tử<br /> tổng hợp và xác định hoạt tính ức chế bằng thực dựa trên nền tảng các định luật vật lý, cho phép<br /> nghiệm, IC50 (M). nghiên cứu các tính chất hóa học – hiện tượng<br /> xảy ra trong hóa học thông qua việc tính toán<br /> Phương pháp tiến hành<br /> trên máy tính.<br /> Xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc 3D của 11<br /> Hóa tính toán gồm 2 mô hình mô phỏng<br /> dẫn xuất β-lactam và chất ức chế so sánh<br /> cấu trúc phân tử: mô hình cơ học phân tử và<br /> Donepezil bằng phần mềm Hyperchem 8.0.10<br /> mô hình cơ học lượng tử. Cả hai đều tập trung<br /> theo phương pháp bán kinh nghiệm PM3.<br /> thực hiện các tính toán cơ bản giống nhau bao<br /> Thiết lập mô hình tương tác ức chế với gồm: năng lượng, tối ưu hóa hình dạng, tần số<br /> enzyme Acetylcholinesterase bằng phần mềm dao động.<br /> Autodock – Autodock vina(1). Mô hình cơ học lượng tử được sử dụng<br /> Khảo sát tương quan giữa năng lượng gắn trong đề tài để xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc<br /> kết enzyme với nồng độ ức chế thực nghiệm phân tử của các dẫn xuất chất ức chế, trong đó<br /> IC50, sử dụng phần mềm Statgraphics phương pháp bán kinh nghiệm PM3 đơn giản<br /> Centurion XVI. hóa việc tính toán bằng cách chỉ biểu diễn các<br /> điện tử hóa trị trong nguyên tử cấu thành, áp<br /> Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng về mặt cấu<br /> dụng rộng rãi cho hệ cấu trúc chứa các nguyên<br /> trúc đến hiệu quả ức chế enzyme.<br /> tử bao gồm: H, C, N, O, F, Al, Si, P, S, Cl, Br và I.<br /> Cơ sở dữ liệu<br /> Phân tích hồi quy<br /> Sử dụng phần mềm Statgraphics Centurion<br /> XVI 16.1.18, với công cụ phân tích tương quan đa<br /> biến (Multiple-Variable Analysis (Correlations)),<br /> khảo sát sự tương quan giữa năng lượng gắn kết<br /> enzyme với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50, có<br /> ý nghĩa thống kê với p