Khóa luận tốt nghiệp: Sàng lọc in silico các hợp chất xanthone có tác dụng ức chế enzym alpha glucosidase định hướng điều trị đái tháo đường typ 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Sàng lọc in silico các hợp chất xanthone có tác dụng ức chế enzym alpha glucosidase định hướng điều trị đái tháo đường typ 2" là sàng lọc các hợp chất xanthone có tác dụng ức chế enzym AG bằng phương pháp docking phân tử; nghiên cứu các đặc điểm giống thuốc và tính toán các thông số dược động học và độc tính của các hợp chất tốt nhất thu được sau quá trình sàng lọc.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Sàng lọc in silico các hợp chất xanthone có tác dụng ức chế enzym alpha glucosidase định hướng điều trị đái tháo đường typ 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC NGUYỄN THỊ TRÀ SÀNG LỌC IN SILICO CÁC HỢP CHẤT XANTHONE CÓ TÁC DỤNG ỨC CHẾ ENZYM ALPHA-GLUCOSIDASE ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU TRỊ ĐÁI THÁO ĐƯỜNG TYP 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH DƯỢC HỌC HÀ NỘI – 2022
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC Người thực hiện: Nguyễn Thị Trà SÀNG LỌC IN SILICO CÁC HỢP CHẤT XANTHONE CÓ TÁC DỤNG ỨC CHẾ ENZYM ALPHA-GLUCOSIDASE ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU TRỊ ĐÁI THÁO ĐƯỜNG TYP 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC (NGÀNH DƯỢC HỌC) Khóa: QH.2017.Y Người hướng dẫn: PGS.TS Bùi Thanh Tùng HÀ NỘI – 2022
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Bùi Thanh Tùng, Trưởng bộ môn Dược lý, Trường Đại học Y Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội là người thầy đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn Tạ Thị Thu Hằng, sinh viên lớp K62 Dược học, Trường Đại học Y Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội đã nhiệt tình hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo, thầy cô Trường Đại học Y Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi được học tập, nghiên cứu, rèn luyện tại đây trong suốt 5 năm qua và thực hiện đề tài này. Sau cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, anh chị em và bạn bè luôn sát cánh, đồng hành, ủng hộ, động viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành khóa luận. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song với kiến thức, kỹ năng và thời gian còn hạn chế, luận văn của tôi khó tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để khóa luận của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn. Hà Nội, ngày 25 tháng 05 năm 2022 Sinh viên Nguyễn Thị Trà
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ĐTĐ Đái tháo đường ĐTĐ-T2 Đái tháo đường typ 2 AG Alpha-glucosidase AGG Acid alpha-glucosidase AGi Αlpha-glucosidase inhibitors Chất ức chế alpha-glucosidase ARG Arginine SER Serine HIS Histidin LYR Tyrosine ASP Acid aspartic MET Methionin PRO Proline PHE Phenylalanine THR Threonine Structure-based virtual SBVB Sàng lọc ảo dựa trên cấu trúc screening NMR Nuclear Magnetic Resonance Cộng hưởng từ hạt nhân Absorption, Distribution, Hấp thu, Phân bố, Chuyển hóa, ADMET Metabolism, Excretion, Thải trừ, Độc tính Toxicity CSDL Cơ sở dữ liệu Độ lệch bình phương trung RMSD Root mean square deviation bình MW Molecular weight Trọng lượng phân tử HBD Hydro bond donor Nhóm cho liên kết hydro HBA Hydro bond acceptor Nhóm nhận liên kết hydro LD50 Lethal dose 50% Liều gây chết trung bình GLP-1 Glucagonlike peptide -1 SI Sucrase - isomaltase
MGAM Maltase - glucoamylase Vùng maltase của maltase - NtMGAM glucoamylase Vùng glucoamylase của CtMGAM maltase - glucoamylase ER Endoplasmic reticulum Lưới nội chất p-nitrophenyl α-D- pNPG glucopyranoside O16G Oligo-1,6- glucosidase Sodium glucose cotransporter SGLT2 2 DPP - 4 Dipeptidyl peptidase 4 TZD Pioglitazon Left ventricular ejection LVEF Phân suất tống máu thất trái fraction Glucagon-like peptide-1 Thuốc đồng vận glucagonlike GLP-1 RA receptor agonists peptide -1 Sodium Glucose cotransporter Chất ức chế sodium glucose SGLT-2i 2 inhibitor cotransporter 2 DNJ Deoxynojirimycin GH Glycoside hydrolase
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc không gian 3D của enzym α-glucosidase GH13 ..................... 8 Bảng 1.2. Cấu trúc không gian 3D của enzym α-glucosidase GH31 .................... 9 Hình 1.3. Cơ chế hoạt động của các chất ức chế enzym AG tại niêm mạc ruột non ....................................................................................................................... 10 Hình 1.4. Cấu trúc của acarbose, miglitol, voglibose và DNJ ............................. 11 Hình 1.5. Cấu trúc của xanthone (9 H -xanthen-9-one)....................................... 13 Hình 2.1. Cấu trúc 3D của enzym 3W37 được tải về từ CSDL Protein Data Bank .............................................................................................................................. 19 Hình 2.2. Thực hiện dự đoán tính giống thuốc và các thông số ADMET bằng công cụ trực tuyến pkCSM .................................................................................. 24 Hình 3.1. RMSD của alpha-acarbose đồng kết tinh trước và sau khi re-dock .... 26 Hình 3.2. Minh họa hai chiều các tương tác của acarbose tại vị trí hoạt động .... 27 Hình 3.3. Tương tác của mangostanol với alpha-glucosidase ............................. 34 Hình 3.4. Tương tác của isonormangostin với alpha-glucosidase ....................... 35 Hình 3.5. Tương tác của cudraxanthone B với alpha-glucosidase ...................... 36 Hình 3.6. Tương tác của isojacareubin với alpha-glucosidase ............................ 37
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Kết quả mô phỏng docking .................................................................. 28 Bảng 3.2. Kết quả các thông số quy tắc 5 Lipinski.............................................. 29 Bảng 3.3. Bảng thông số các đặc tính hấp thu, phân bố và chuyển hóa .............. 30 Bảng 3.4. Bảng thông số các đặc tính thải trừ và độc tính .................................. 31 Bảng 3.5. Bảng kết quả phân tích mô phỏng docking ......................................... 38
MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................ 3 1.1. Tổng quan về bệnh đái tháo đường typ 2 .................................................... 3 1.1.1. Bệnh đái tháo đường typ 2 ..................................................................... 3 1.1.3. Điều trị bệnh đái tháo đường typ 2 ........................................................ 3 1.2. Tổng quan về enzym alpha-glucosidase .................................................... 5 1.2.1. Giới thiệu về enzym alpha-glucosidase ................................................ 5 1.2.2. Cấu trúc của enzym α-glucosidase ....................................................... 7 1.2.3. Cơ chế hoạt động của enzym α-glucosidase trong cơ thể .................... 9 1.2.4. Chất ức chế enzym α-glucosidase.......................................................... 9 1.3. Tổng quan về nhóm hợp chất xanthone .................................................. 12 1.4. Tổng quan về nghiên cứu in silico .......................................................... 13 1.4.1. Docking phân tử ................................................................................... 14 1.4.2. Quy tắc Lipinski về các hợp chất giống thuốc .................................... 16 1.4.3. Dự đoán ADMET các thông số dược động học và độc tính ............... 16 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................................................................... 18 2.1. Nguyên liệu, thiết bị ................................................................................... 18 2.2. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 20 2.3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 20 2.3.1. Sàng lọc bằng docking phân tử ............................................................ 20 2.3.2. Nghiên cứu các đặc điểm giống thuốc ................................................. 22 2.3.3. Nghiên cứu các đặc tính dược động học và độc tính (ADMET) ......... 23 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ .................................................................................... 25 3.1. Mô phỏng protein docking ......................................................................... 25
3.1.1. Đánh giá quy trình docking ................................................................. 25 3.2. Tìm kiếm các chất tiềm năng từ kết quả docking ...................................... 26 3.3. Sàng lọc các hợp chất giống thuốc ............................................................ 27 3.4. Dự đoán các thông số ADMET ................................................................. 28 CHƯƠNG 4: BÀN LUẬN ................................................................................. 37 4.1. Về kết quả .................................................................................................. 37 4.1.1. Mangostanol (ID: 10048103) .............................................................. 37 4.1.2. Isonormangostin (ID: 91884715) ........................................................ 38 4.1.3. Cudraxanthone B (ID: 91885224) ....................................................... 38 4.1.4. Isojacareubin (ID: 9996463) ................................................................ 38 4.2. Về phương pháp ......................................................................................... 39 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ Đái tháo đường (ĐTĐ) là bệnh rối loạn chuyển hóa, có đặc điểm tăng glucose huyết mạn tính do khiếm khuyết về tiết insulin, về tác động của insulin, hoặc cả hai. Tăng glucose mạn tính trong thời gian dài gây nên những rối loạn chuyển hóa carbohydrate, protide, lipide, gây tổn thương ở nhiều cơ quan khác nhau, đặc biệt ở tim và mạch máu, thận, mắt, thần kinh [1]. Theo IDF (2019), thế giới hiện nay có khoảng 463 triệu người mắc bệnh ĐTĐ, dự kiến tăng đến 700 triệu người vào năm 2045, được xem là một đại dịch không lây nhiễm với tỷ lệ tử vong xếp hàng thứ 3 sau bệnh ung thư và tim mạch. Tiêu tốn hàng tỉ đô la mỗi năm cho chăm sóc y tế, gây tàn phế và tăng gánh nặng lên người thân [31]. Bệnh ĐTĐ gây nên nhiều biến chứng nguy hiểm như nhồi máu cơ tim, suy tim, đột quỵ nhồi máu não, xơ vữa động mạch, bệnh võng mạc ĐTĐ, bệnh thận ĐTĐ và bệnh lý thần kinh ngoại biên [5]. Những năm gần đây, Hội đái tháo đường Hoa kỳ (ADA), Liên đoàn ĐTĐ Quốc tế (IDF) hay tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã nhìn nhận ĐTĐ là một trong những nguyên nhân dẫn đến tỷ lệ tử vong tim mạch hàng đầu so với các nguyên nhân khác [2,4]. Tại Việt Nam, theo nghiên cứu năm 2012 của Bệnh viện Nội tiết Trung ương cho thấy: tỷ lệ mắc ĐTĐ trên toàn quốc ở người trưởng thành là 5,42%, tỷ lệ ĐTĐ chưa được chẩn đoán trong cộng đồng là 63,6%. Theo kết quả điều tra STEPwise về các yếu tố nguy cơ của bệnh không lây nhiễm do Bộ Y tế thực hiện năm 2015, ở nhóm tuổi từ 18-69, cho thấy tỷ lệ ĐTĐ toàn quốc là 4,1%, tiền ĐTĐ là 3,6%, tỷ lệ ĐTĐ chưa được chẩn đoán là 69,9%. Dữ liệu cập nhật của Liên đoàn Đái tháo đường Quốc tế (IDF) cho thấy năm 2019 Việt Nam có tỷ lệ 6% người trưởng thành mắc ĐTĐ [1]. Điều đó cho thấy tỷ lệ mắc ĐTĐ ở Việt Nam tăng dần theo các năm và tỷ lệ điều trị và hiệu quả điều trị còn thấp. Alpha-glucosidase (AG) đóng một vai trò quan trọng trong chuyển hóa carbohydrate, việc ức chế AG sẽ làm chậm quá trình hấp thụ glucose vào máu, ngăn chặn sự tăng đường huyết sau ăn do đó là một mục tiêu tuyệt vời để điều trị bệnh tiểu đường, béo phì và các biến chứng liên quan khác. Hiện nay, bốn chất ức chế AG được sử dụng trong điều trị: acarbose, miglitol, voglibose và 1
diiglitate. Tuy nhiên, đã có nhiều tài liệu chứng minh rằng việc sử dụng các chất ức chế này gây ra các tác dụng không mong muốn trên tiêu hóa như đầy hơi, đau bụng và tiêu chảy [11]. Ngày nay, với nhu cầu phát triển các loại thuốc có ít tác dụng phụ hơn và cho hiệu quả tốt hơn, từ đó hướng tới các sản phẩm tự nhiên để có thể phát triển một loại thuốc chống tiểu đường mới. Xanthone đang được nghiên cứu và chúng đã cho thấy một số tác dụng chống tiểu đường và hoạt động trên một số mục tiêu chống tiểu đường [22]. Trên cơ sở đó, đề tài “Sàng lọc in silico các hợp chất xanthone có tác dụng ức chế enzym alpha-glucosidase định hướng điều trị đái tháo đường typ 2” được tiến hành với 2 mục tiêu chính: 1. Sàng lọc các hợp chất xanthone có tác dụng ức chế enzym AG bằng phương pháp docking phân tử. 2. Nghiên cứu các đặc điểm giống thuốc và tính toán các thông số dược động học và độc tính của các hợp chất tốt nhất thu được sau quá trình sàng lọc. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về bệnh đái tháo đường typ 2 1.1.1. Bệnh đái tháo đường typ 2 ĐTĐ typ 2 trước đây được gọi là “ĐTĐ không phụ thuộc insulin” hoặc “ĐTĐ xảy ra ở người lớn”, chiếm 90-95% bệnh ĐTĐ [57]. Thể này gồm những người có kháng insulin và thiếu hụt insulin tương đối (hơn là tuyệt đối). Lúc mới bị bệnh, và có thể suốt đời không cần điều trị bằng insulin để duy trì sự sống [1]. Cơ chế bệnh sinh Yếu tố di truyền kết hợp với môi trường tác động lên cơ thể gây ra tình trạng kháng insulin và giảm bài tiết insulin, dần gây ra ĐTĐ typ 2. Kháng insulin là sự hoạt động kém hiệu quả trong quá trình truyền tín hiệu của insulin từ receptor tới đích phân tử cuối cùng, dẫn tới giảm tác dụng của insulin. Gen mã hóa các enzym và protein tham gia vào quá trình truyền tín hiệu của insulin như: insulin receptor substrate, phosphatidyl inositol-3-kinase hay tham gia vào quá trình bài tiết insulin như capain 10, yếu tố phiên mã 7-like 2 (the transcription factor 7-like 2) có liên quan tới bệnh ĐTĐ typ 2 [54]. Bên cạnh đó, các yếu tố môi trường có thể làm tăng tiến triển của bệnh như lối sống không lành mạnh gồm việc giảm các hoạt động thể lực; thay đổi chế độ ăn uống theo hướng tăng tinh, giảm chất xơ gây dư thừa năng lượng. Ngoài ra, chất lượng thực phẩm, các stress trong cuộc sống cũng tác động đến tình trạng bệnh. Tuổi thọ càng tăng, nguy cơ mắc bệnh càng cao, đây là yếu tố không thể can thiệp được. Hầu hết bệnh nhân béo phì hoặc thừa cân và béo phì vùng bụng với vòng eo to trong khi đó béo phì vùng bụng có liên quan với tăng acid béo trong máu, mô mỡ cũng tiết ra một số hormon làm giảm tác dụng của insulin ở các cơ quan đích như gan, tế bào mỡ, tế bào cơ (kháng insulin tại các cơ quan đích). Do hiện tượng kháng insulin, ở giai đoạn đầu xảy ra sự “bù” của các tế bào β đảo tụy khiến nó tăng tiết insulin nhiều hơn và dần dẫn đến sự suy kiệt tế bào β đảo tụy khiến tăng đường huyết và cuối cùng là bệnh nhân bắt đầu có những triệu chứng lâm sàng của ĐTĐ-T2 [1]. 1.1.3. Điều trị bệnh đái tháo đường typ 2 3
Các loại thuốc điều trị ĐTĐ [1,3]: - Thuốc uống: Metformin, Sulfonylurea, ức chế enzym alpha glucosidase, ức chế kênh SGLT2, ức chế enzym DPP- 4, TZD (Pioglitazon). - Thuốc tiêm: Insulin, đồng vận thụ thể GLP-1. Căn cứ vào hiệu quả điều trị trên lâm sàng, có sự phối hợp của các nhóm thuốc trong điều trị để đạt được mục tiêu theo Hướng dẫn chẩn đoán và điều trị đái tháo đường do Bộ Y tế (2020). Trong quá trình điều trị và theo dõi bệnh nhân, các nghiên cứu cũng đưa ra khuyến cáo về một số yếu tố cần xem xét khi chọn lựa thuốc điều trị cho bệnh nhân ĐTĐ gồm [1,6]: i) Hiệu quả giảm glucose huyết; ii) Nguy cơ hạ glucose máu: sulfonylurea, insulin; iii) Tăng cân: Pioglitazon, insulin, sulfonylurea; iv) Giảm cân: GLP-1 RA, ức chế SGLT2, ức chế DPP-4 (giảm cân ít); v) Không ảnh hưởng nhiều lên cân nặng: ức chế enzym DPP-4, metformin, ức chế enzym α-glucosidase; vi) Ảnh hưởng lên bệnh lý tim mạch do xơ vữa: - Hiệu quả có lợi (bằng chứng rõ ràng: GLP-1 RA và ức chế SGLT-2 trừ lixisenatide trung tính); - Có thể có lợi pioglitazone và metformin; vii) Ảnh hưởng lên các vấn đề về tim mạch, đặc biệt suy tim có phân suất tống máu giảm LVEF 65 tuổi): Không cần chỉnh liều GLP-1 RA, SGLT-2i; viii) Ảnh hưởng lên thận - Tác động tốt, giúp phục hồi chức năng thận, giảm tiến triển bệnh thận mạn: AECi, SGLT-2i. Nếu không dung nạp hoặc chống chỉ định với SGLT-2i hoặc mức lọc cầu thận không phù hợp, bổ sung GLP-1 RA; - Tác động không có lợi hoặc thận trọng, giảm liều khi suy thận: SU, metformin; ix) Các đối tượng bệnh nhân đặc biệt: - Người cao tuổi (> 65 tuổi): Không cần chỉnh liều GLP-1 RA, SGLT-2i; 4
- Suy thận: Không cần chỉnh liều GLP-1 RA, linaglipin đối với suy thận nhẹ, trung bình hay nặng. SGLT-2i được ưu tiên trên BN có eGFR 30-60 mL/phút/1,73 m2 da hoặc albumin niệu > 30 mg/g creatinin để giảm tiến triển bệnh thận mạn; - Suy gan: Không cần chỉnh liều GLP-1 RA, SGLT-2i đối với suy gan nhẹ hoặc trung bình. Ở bệnh nhân suy gan nặng, dapagliflozin có thể khởi trị với liều 5 mg, nếu dung nạp có thể tăng lên 10 mg. Empagliflozin không khuyến cáo trên bệnh nhân suy gan nặng; x) Giá thuốc, tính sẵn có, sự dung nạp và khả năng chi trả của bệnh nhân; xi) Phác đồ sử dụng dễ nhớ, dễ thực hiện và khả năng tuân thủ điều trị của người bệnh. 1.2. Tổng quan về enzym alpha-glucosidase 1.2.1. Giới thiệu về enzym alpha-glucosidase Alpha-glucosidase là một exoenzym hoạt động tương tự như glucoamylase trên di- saccharide và oligo-saccharide và aryl glucosidase. Enzym AG là enzym tham gia trong bước cuối cùng của quá trình chuyển hóa carbohydrate, tạo ra glucose. Enzym này có nguồn gốc từ động vật, thực vật, vi khuẩn hoặc nấm. AG thủy phân maltooligosaccharides, phenyl α-maltoside, nigerose, tinh bột hòa tan, amylose, amylopectin và β-limit dextrins. Axit α-glucosidase (GAA; EC 3. 2.1.20/3) là một exoglycosidase của lysosome xúc tác quá trình thủy phân các liên kết α-1,4- và α-1,6-glucosidic của glycogen, tạo ra glucose. Enzym này được mã hóa bởi gen GAA khu trú thành 17q25, và được tổng hợp dưới dạng protein gồm 952 axit amin bao gồm một peptit tín hiệu đầu cuối amin để vận chuyển vào lòng của lưới nội chất (ER). Khi xâm nhập vào ER, enzym là N-glycosyl hóa, tạo ra một dạng tiền chất có khối lượng phân tử biểu kiến là 110 kDa. Sau đó, enzym được vận chuyển đến bộ máy Golgi, trong đó xảy ra quá trình biến đổi thêm các chuỗi đường. Quá trình phân giải protein trong bộ máy trans-Golgi và trong lysosome, trong đó enzym thực hiện chức năng của nó, dẫn đến dạng trung gian 95-kDa và cuối cùng là dạng trưởng thành 76 và 70 kDa. Các peptit nhỏ bị phân cắt vẫn liên kết với lõi protein thông 5
qua các liên kết disulfua. Một số loại tế bào, chẳng hạn như nguyên bào sợi, tiết ra một lượng nhỏ tiền chất AG của axit 110 kDa mới được hình thành [39]. AG (E.C.3.2.1.20) là một nhóm các enzym xúc tác thủy phân liên kết α-1,4- glycosid bao gồm một số loại như maltase, glucoinvertase, glucosidosucrase, malt ase-glucoamylase, alpha-glucopyranosidase, glucosidoinvertase, α-D- glucosidase, α-glucosid hydrolase, α-1,4-glucosidase, α-D-glucosid glucohydrolase. Đáng chú ý, các enzym này thủy phân oligosaccharid nhanh hơn so với polysaccharid. Enzym AG là một enzym họ exohydrolysis, có hoạt tính thủy phân liên kết α-1,4-glycoside ở đầu tận cùng không khử của carbohydrate giải phóng các phân tử α-D-glucose. Cơ chất phổ biến của enzym AG là oligosaccharide, disaccharide, các aryl- và akyl-α-glucopyranoside… [30]. AG là một trong những enzym thuộc lớp glycoside hydrolase (GH), một lớp gồm các enzym thường tách các liên kết glycoside giữa hai phân tử carbohydrate – một trong những liên kết mạnh nhất được tìm thấy trong các polymer tự nhiên. Tốc độ phân cắt các liên kết glycoside được tăng lên gấp 1017 lần so với phản ứng thông thường không có enzym xúc tác [55]. Enzym AG phân bố trong các họ GH khác nhau như GH4, GH13, GH31, GH63, GH97 [7,8], trong đó GH13 và GH31 là hai nhóm chủ yếu của enzym AG. Những enzym AG thuộc nhóm GH13 được phát hiện nhiều ở vi khuẩn, còn những sinh vật bậc cao hơn thường có enzym AG thuộc nhóm GH31. Enzym AG có nguồn gốc rất phong phú, từ nhiều loài sinh vật (vi khuẩn, nấm mốc, động vật và thực vật) nên tính đặc hiệu cơ chất của họ enzym cũng đa dạng hơn. Các enzym AG được phân chia thành ba loại chính dựa trên tính đa dạng đặc hiệu cơ chất này. Loại 1 là các enzym AG ưu tiên thủy phân các liên kết heteroside (glycoside) chẳng hạn sucrose và các aryl α-glucoside (ví dụ như p- nitrophenyl α-D-glucopyranoside - pNPG), hơn là các liên kết holoside, chẳng hạn như các α-glucobiose, malto-oligosaccharide, and α-glucan). Enzym loại II và III thì ngược lại, hoạt động mạnh hơn trên các holoside và có hoạt tính thấp đối với các heteroside. Enzym loại III giống loại II, nhưng khác nhau trong quá trình thủy 6
phần polysaccharide: enzym loại II có hoạt tính khá thấp trên α-glucan, trong khi loại III lại có hoạt tính cao [30]. Trong công nghiệp ứng dụng, sinh vật sản xuất chính enzym AG là vi khuẩn và nấm (Lactobacillus, Bacillus và Aspergillus) [10,42]. Vi khuẩn ưa nhiệt tạo ra các chất có hoạt tính AG hoạt động ngay cả ở các môi trường pH trung tính và kiềm, và ở nhiệt độ từ 20 – 40 °C [33]. 1.2.2. Cấu trúc của Enzyme α-glucosidase Enzym AG nhóm GH13 và GH31 có những đặc điểm về cấu trúc, hình thái không gian và hoạt tính sinh học khác nhau, do chúng có sự khác biệt về nguồn gốc và tính đặc hiệu cơ chất. Đối với các enzym α-glucosidase GH13, chúng có cấu trúc tương đối giống với oligo-1,6- glucosidase (EC 3.2.1.10; O16G) và dextran glucosidase (glucan 1,6-α-glucosidase; EC 3.2.1.70; DG). Cho đến nay, cấu trúc không gian của enzym α-glucosidase GH13 đã được xác định qua nhiều nghiên cứu, và cấu trúc tổng thể của chúng tương tự nhau, chủ yếu được hình thành từ 3 domain A, B và C [30] (Hình 1.1). Hình 1.1. Cấu trúc không gian 3D của enzym α-glucosidase GH13 [35] 7
A. Cấu trúc tổng quan của phức hợp Halomonas sp. α-glucosidase và maltose; B. Cấu trúc tổng quan của phức hợp Streptococcus mutans DG và isomaltotriose Đối với các enzym AG nhóm GH31, hầu hết chúng phổ biến ở các sinh vật phụ thuộc vào năng lượng lấy từ tinh bột. Ví dụ, sucrase–isomaltase (SI) và maltase – glucoamylase (MGAM), được tiết ra tại ruột non của động vật có vú, có liên quan đến sự phân hủy tinh bột trong khẩu phần ăn. SI và MGAM chịu trách nhiệm thủy phân các oligo-saccharide thu được thành glucose. Mỗi polypeptit MGAM và SI bao gồm 2 thành phần enzym khác nhau, tạo ra tổng số 4 AG trong cấu trúc 2 enzym này. 4 enzym có cấu trúc liên quan chặt chẽ với nhau do phát triển từ một nguồn gốc chung, đều được xếp vào họ glycoside hydrolase GH31 và có quan hệ mật thiết với nhau theo cấu trúc nếp gấp. Về danh pháp, vùng maltase của MGAM được gọi là NtMGAM (Hình 1.2) và vùng glucoamylase được gọi là CtMGAM. Hình 1.2. Cấu trúc không gian 3D của enzym α-glucosidase GH31 [30]. A. Mô hình cấu trúc của NtMGAM; B. Vùng hoạt động của NtMGAM Đối với SI, vùng isomaltase là NtSI và vùng sucrase là CtSI [12]. NtMGAM và CtMGAM giống nhau đều chịu trách nhiệm chính trong việc thủy phân các liên kết α-(14) nhưng khác nhau ở chỗ chúng thể hiện các ưu tiên khác nhau đối với các cơ chất có mức độ polyme hóa (DP) khác nhau: CtMGAM thích thủy phân 8
các cơ chất có giá trị DP cao hơn NtMGAM [25]. NtSI có xu hướng thủy phân của các liên kết α-(1-6)- glucosidic [26]. CtSI có thể thủy phân các liên kết α (12) trong sucrose [23]. 1.2.3. Cơ chế hoạt động của enzym α-glucosidase trong cơ thể Khi con người đưa thức ăn vào đường tiêu hóa, các phân tử cacbohydrate trong thức ăn sẽ được thủy phân, chia cắt thành các phân tử nhỏ bởi hệ enzym trong ống tiêu hóa. Cụ thể, các sản phẩm giàu tinh bột, dạng glucid chính trong khẩu phần ăn sau khi qua dạ dày sẽ được enzym α-amylase tiết từ tuyến tụy và nước bọt thủy phân thành các malto-oligosaccharid (Maltose, maltotriose, và các malto-oligosaccharid mạch ngắn có các nhánh α-(1-6) glucosidic) [30]. Enzym AG được tiết ra từ diềm bàn chải tế bào ruột non, lại tiếp tục phân hóa các oligosaccharide thành các phân tử đường glucose nhỏ hơn rồi mới thẩm thấu qua màng ruột vào hệ tuần hoàn. Chính nhờ cơ chế này, việc ức chế hoạt động của enzym AG có thể làm hạn chế quá trình thủy phân carbohydrate và làm giảm, làm chậm sự thẩm thấu glucose vào máu [36]. 1.2.4. Chất ức chế enzyme α-glucosidase Chất ức chế enzym AG (α glucosidase inhibitors-AGIs) là các chất làm giảm hoạt tính của enzym AG dẫn đến làm chậm quá trình tiêu hóa các chất carbohydrate thành đường đơn glucose ở ruột non, từ đó ngăn hiện tượng tăng đường huyết sau ăn. 9
Hình 1.3. Cơ chế hoạt động của các chất ức chế enzym AG tại niêm mạc ruột non [43]. AG: α-glucosidase; AGI: chất ức chế enzym α-glucosidase. Phần lớn AGIs có khả năng gắn vào vùng liên kết với carbohydrate của enzym AG vì chúng có cấu trúc tương tự với các disaccharide hoặc oligosaccharide. Các phức hợp này có ái lực lớn hơn phức hợp thông thường carbohydrate-glucosidase vì vậy hình thành cơ chế ức chế cạnh tranh enzym. Do vậy, hoạt động của AG trong màng nhầy của ruột non bị ức chế. Khi carbohydrate không được hấp thụ qua các lớp niêm mạc đường ruột, bị thủy phân dần dần ở tá tràng, hỗng tràng và hồi tràng, làm giảm sự hấp thu đường tại niêm mạc ruột non [59]. Theo nhiều nghiên cứu, các loại thuốc AGIs điển hình, chẳng hạn như miglitol và acarbose, còn có thể tăng cường bài tiết GLP-1 (glucagonlike peptide- 1), làm giảm cơn đói cũng như nhu cầu ăn [6,19]. Bên cạnh đó, cũng có bằng chứng cho thấy rằng AGIs không ảnh hưởng đến bài tiết insulin. Ngày nay, có bốn loại thuốc AGIs trên thị trường: acarbose, miglitol, voglibose và DNJ (hình 1.4). 10
Hình 1.4. Cấu trúc của acarbose, miglitol, voglibose và DNJ [20] Tất cả các loại thuốc trên đều đã được đưa vào thị trường từ nhiều năm trước, nhưng từ những năm 1990 thì không có thuốc AGI nào được chấp thuận sử dụng trên lâm sàng. Các nghiên cứu lâm sàng về acarbose và miglitol chỉ ra rằng AGIs có nhiều ưu điểm hơn các loại thuốc điều trị ĐTĐ dùng đường uống khác. Chúng không có tác dụng đối với những kênh vận chuyển glucose phụ thuộc natri hay sự bài tiết insulin, do đó không ảnh hưởng đến việc tiêu thụ glucose cũng như gây hạ đường huyết. Hơn nữa, AGIs không có ảnh hưởng đáng kể đến trọng lượng cơ thể. Tuy nhiên, chúng cũng có một số tác dụng phụ (chủ yếu trên đường tiêu hóa), chẳng hạn như đầy hơi, co thắt ruột và đau bụng. Vì vậy, cần tìm một thuốc AGIs mới có hiệu quả điều trị ĐTĐ và có ít phản ứng phụ hơn. Dựa vào cấu trúc cấu tạo của các AGIs, chúng được chia thành 2 loại chính là các hợp chất có cấu trúc giả đường và các hợp chất khác. Với các hợp chất có cấu trúc giả đường, chúng thường là các dẫn xuất của monosaccharide như glucose, galactose… Có nhiều phương pháp để thiết kế các dẫn chất mới của mono-saccharide như biến đổi cấu trúc tại vị trí C1 hay gốc C1-OH, mở vòng 11