Upload
day-kem-quy-nhon-official
View
223
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 163
ĐI HC QU C GIA H NI
TRƯNG ĐI HC KHOA HC T NHIEcircN
-----------------------
TỐNG THỊ THU CUacuteC
GOacuteP PHẦN NGHIEcircN CỨU CƠ CHẾ PHẢN ỨNG ESTERAZA
BẰNG PHƯƠNG PHAacuteP TIacuteNH LƯỢNG TỬ
LUN VĂN THC S KHOA HC
HAgrave NI ndash 2010
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 263
ĐI HC QUOcircC GIA H NI
TRƯNG ĐI HC KHOA HC T NHIEcircN
------------------
--------------------
Tống Thị Thu Cuacutec
GOacuteP PHẦN NGHIEcircN CỨU CƠ CHẾ PHẢN ỨNG ESTERAZA
BẰNG PHƯƠ NG PHAacuteP TIacuteNH LƯỢNG TỬ
Chuyecircn ngagravenh Hoacutea lyacute thuyết vagrave Hoacutea lyacute
M s 62 44 31
LUN VĂN THC S KHOA HC
NGƯI HƯƠNG DAcircN KHOA HC
TS Nguyễn Hữu Thọ
HAgrave NI ndash 2010
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 363
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 463
1
MỞ ĐẦU
Ngagravey nay cugraveng với sự hoagraven thiện của caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten hoacutea lượngtử sự quan tacircm của hoacutea học lyacute thuyết đến lĩnh vực xuacutec taacutec enzyme ngagravey cagraveng lớn
Nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme lagravem saacuteng tỏ bản chất hoacutea học của caacutec phản ứng trong
cơ thể sng Một khi caacutec phương phaacutep lyacute thuyết thagravenh cocircng trong lĩnh vực nagravey sẽ
mở đường cho việc tigravem kiếm dược phẩm mới điều trị nhiều loại bệnh tật cho con
người magrave khocircng cograven phải mograve mẫm nhất lagrave khi việc thử nghiệm thuc mới trecircn cơ
thể con người khocircng thể tugravey tiện
Luận văn nagravey tập trung lagravem saacuteng tỏ cơ chế xuacutec taacutec của một nhoacutem enzyme
xuacutec taacutec cho phản ứng thủy phacircn - enzyme esterase cụ thể lagrave enzyme
acetylcholinesterase Về mặt chức năng đacircy lagrave enzyme coacute vai tr ograve rất quan trọng đi
với cơ thể vigrave noacute tham gia trực tiếp vagraveo quaacute trigravenh truyền dẫn xung thần kinh Về mặt
động học xuacutec taacutec đacircy lagrave loại enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao noacute tham gia
trực tiếp vagraveo phản ứng hoacutea học vagrave thể hiện đầy đủ caacutec nhacircn t magrave một xuacutec taacutec
enzyme coacute thể taacutec động đến phản ứng hoacutea học
Hiện nay caacutec phương phaacutep lyacute thuyết nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme chưa
hoagraven thiện vigrave vậy việc tiếp cận để cải tiến caacutec phương phaacutep nagravey lagrave một hướng phaacutet
triển được ưu tiecircn vigrave noacute sẽ tạo ra một bước nhảy vọt trong hoacutea lyacute thuyết đưa lyacute
thuyết tiến gần đến thực nghiệm hơn
Luận văn nagravey dugraveng một phương phaacutep đang phổ biến hiện nay khi nghiecircn cứu
hệ xuacutec taacutec lagrave phương phaacutep QMMM với kĩ thuật ONIOM Ở đacircy phương phaacutep nagraveyđược dugraveng kết hợp với caacutec tiacutenh toaacuten đơn giản hơn lagravem cơ sở dự đoaacuten cơ chế phản
ứng nhằm xacircy dựng một quy trigravenh coacute hệ thng để nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme noacutei
chung
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 563
2
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
11 Đối tượng nghiecircn cứu
111 Acetylcholinesterase
1111 Cấu truacutec
Acetylcholinesterase lagrave một loại protein chức năng thuộc nhoacutem hydrolase
Vigrave vậy về cơ bản acetylcholinesterase cũng coacute đặc điểm cấu truacutec chung của protein
a) Cấu truacutec sơ cấp (bậc 1)
Acetylcholinesterase ở caacutec loagravei khaacutec nhau coacute cấu truacutec khaacutec nhau Dưới đacircyđưa ra cấu truacutec acetylcholine của caacute đui điện chuột vagrave của người
(Kiacute hiệu của caacutec aminoaxit xem trong phần phụ lục)
Caacute đuối điện do đặc điểm hoạt động magrave acetylcholinesterase phổ biến ở loagravei nagravey
MNLLVTSSLG VLLHLVVLCQ ADDHSELLVN TKSGKVMGTR VPVLSSHISA FLGIPFAEPP
70 80 90 100 110 120
VGNMRFRRPE PKKPWSGVWN ASTYPNNCQQ YVDEQFPGFS GSEMWNPNRE MSEDCLYLNI
130 140 150 160 170 180
WVPSPRPKST TVMVWIYGGG FYSGSSTLDV YNGKYLAYTE EVVLVSLSYR VGAFGFLALH
190 200 210 220 230 240
GSQEAPGNVG LLDQRMALQW VHDNIQFFGG DPKTVTIFGE SAGGASVGMH ILSPGSRDLF
250 260 270 280 290 300
RRAILQSGSP NCPWASVSVA EGRRRAVELG RNLNCNLNSD EELIHCLREK KPQELIDVEW
310 320 330 340 350 360
NVLPFDSIFR FSFVPVIDGE FFPTSLESML NSGNFKKTQI LLGVNKDEGS FFLLYGAPGF
370 380 390 400 410 420
SKDSESKISR EDFMSGVKLS VPHANDLGLD AVTLQYTDWM DDNNGIKNRD GLDDIVGDHN
430 440 450 460 470 480
VICPLMHFVN KYTKFGNGTY LYFFNHRASN LVWPEWMGVI HGYEIEFVFG LPLVKELNYT
490 500 510 520 530 540
AEEEALSRRI MHYWATFAKT GNPNEPHSQE SKWPLFTTKE QKFIDLNTEP MKVHQRLRVQ
550 560 570 580
MCVFWNQFLP KLLNATACDG ELSSSGTSSS KGIIFYVLFS ILYLIF
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 663
3
Trong đoacute 21 aminoaxit đầu tiecircn lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu mang thocircng tin điều
khiển việc chuyển vận của phacircn tử protein Sau khi protein đến vị triacute điacutech caacutec
aminoaxit nagravey sẽ bị taacutech ra 22 aminoaxit cui cugraveng lagrave đoạn peptit tiền hoạt hoacutea
Protein chỉ thực hiện chức năng khi phần nagravey được taacutech bỏ Như vậy ở trạng thaacutei
hoạt hoacutea phacircn tử enzyme acetylcholinesterase gồm 543 aminoaxit (phần in đậm)
Chuột
MRPPWYPLHT PSLAFPLLFL LLSLLGGGAR AEGREDPQLL VRVRGGQLRG IRLKAPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPVGSRRFMP PEPKRPWSGV LDATTFQNVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
130 140 150 160 170 180 RELSEDCLYL NVWTPYPRPA SPTPVLIWIY GGGFYSGAAS LDVYDGRFLA QVEGAVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGTFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENIAA FGGDPMSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHILSLPSR SLFHRAVLQS GTPNGPWATV SAGEARRRAT LLARLVGCPP GGAGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
IACLRTRPAQ DLVDHEWHVL PQESIFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINTG DFQDLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGVPGFSKD NESLISRAQF LAGVRIGVPQ ASDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPTHLRDAMS AVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYI FEHRASTLTW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540
EIEFIFGLPL DPSLNYTTEE RIFAQRLMKY WTNFARTGDP NDPRDSKSPQ WPPYTTAAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLNLKPLE VRRGLRAQTC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQER CSDL
Trong đoacute 31 aminoaxit đầu tiecircn cũng lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu cograven lại 583
aminoaxit tham gia thực hiện chức năng (phần in đậm)
Người
MRPPQCLLHT PSLASPLLLL LLWLLGGGVG AEGREDAELL VTVRGGRLRG IRLKTPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPMGPRRFLP PEPKQPWSGV VDATTFQSVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 763
4
130 140 150 160 170 180
RELSEDCLYL NVWTPYPRPT SPTPVLVWIY GGGFYSGASS LDVYDGRFLV QAERTVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGAFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENVAA FGGDPTSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHLLSPPSR GLFHRAVLQS GAPNGPWATV GMGEARRRAT QLAHLVGCPP GGTGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
VACLRTRPAQ VLVNHEWHVL PQESVFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINAG DFHGLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGAPGFSKD NESLISRAEF LAGVRVGVPQ VSDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPARLREALS DVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYV FEHRASTLSW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540 EIEFIFGIPL DPSRNYTAEE KIFAQRLMRY WANFARTGDP NEPRDPKAPQ WPPYTAGAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLDLRPLE VRRGLRAQAC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQDR CSDL
Đi chiếu cấu truacutec bậc một của acetylcholinesterase ở chuột vagrave người ta thấy
chuacuteng hoagraven toagraven ging nhau
Tuy enzyme của caacute đui điện khaacutec với enzyme trong cơ thể chuột vagrave người
nhưng cả 3 enzyme nagravey về cơ bản thuộc nhoacutem coacute tacircm xuacutec taacutec bộ ba Ser-Glu-
Histiđin Do tiacutenh chất đơ n giản trong cấu truacutec enzyme ở caacute đui điện vagrave caacutec tagravei liệu
thu thập được từ thực nghiệm trong luận văn nagravey bước đầu sẽ nghiecircn cứu hệ xuacutec
taacutec với enzyme ở caacute đui điện
b) Cấu truacutec thứ cấp (bậc 2) higravenh 11
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 863
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 963
6
Higravenh 1 2 Cấu truacutec khocircng gian của acetylcholinesterase khocircng coacute vagrave coacute cơ chất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1063
7
1112 Chức năng sinh học
Acetylcholinesterase nằm trong danh mục caacutec hydrolase (EC 3) thuộc nhoacutem
esterase ndash nhoacutem enzyme coacute chức năng xuacutec taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn este thagravenhaxit vagrave ancol trong phản ứng hoacutea học với nước Acetylcholinesterase coacute s hiệu EC
3117
Acetylcholinesterase coacute vai trograve quan trọng trong hoạt động thần kinh noacute xuacutec
taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine Chất nagravey
coacute nhiệm vụ mang tiacuten hiệu từ caacutec tế bagraveo thần kinh tới tế bagraveo cơ Khi một tế bagraveo thần
kinh vận động nhận được tiacuten hiệu từ trung khu thần kinh noacute sẽ tiết ra acetylcholine
đi vagraveo caacutec synap giữa tế bagraveo thần kinh vận động vagrave tế bagraveo cơ Tại đacircy acetylcholine
kiacutech hoạt caacutec thụ quan trong tế bagraveo cơ phaacutet động quaacute trigravenh co cơ Khi tiacuten hiệu đ
được truyền tải thigrave acetylcholine cần phải bị phaacute hủy nếu khocircng noacute sẽ tiếp tục taacutec
động đến caacutec thụ quan của tế bagraveo cơ vagrave tiacuten hiệu bị chồng lấn lecircn nhau
Acetylcholinesterase coacute mặt tại synap giữa tế bagraveo thần kinh vagrave tế bagraveo cơ đảm nhận
chức năng phaacute hủy acetylcholine ngay sau khi tiacuten hiệu được truyền đi Dưới taacutec
dụng của acetylcholinesterase acetylcholine sẽ bị thủy phacircn thagravenh axit axetic vagravecholine Sau đoacute choline sẽ được quay vograveng để chuyển lạ i thagravenh acetylcholine Như
vậy việc điều tiết acetylcholinesterase đảm bảo cho hoạt động thần kinh diễn ra
nhịp nhagraveng
112 Đặc điểm xuacutec taacutec
Do chức năng sinh học của acetylcholinesterase trong việc truyền xung thần
kinh magrave noacute cần phải coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao hệ s chu chuyển của noacute lagrave
103 ndash 104 s-1 tc độ gần với giới hạn khuếch taacuten [6] Như caacutec enzyme khaacutec
acetylcholinesterase coacute tiacutenh chọn lọc cao cơ chất của noacute lagrave acetylcholine noacute cũng
dễ bị ức chế bởi nhiều chất khaacutec nhau ngay cả khi nồng độ cơ chất acetylcholine
quaacute lớn noacute cũng bị ức chế Việc nghiecircn cứu chi tiết về enzyme nagravey khocircng chỉ nhằm
lagravem rotilde cơ chế taacutec động của noacute lecircn phản ứng magrave cograven coacute thể tigravem được caacutec chất ức chế
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1163
8
hoạt tiacutenh của noacute Chất ức chế sẽ coacute taacutec dụng ngăn chặn quaacute trigraven h thủy phacircn
acetylcholine lagravem tăng cường độ tiacuten hiệu của xung thần kinh
Để giải thiacutech tiacutenh chất chọn lọc của phản ứng xuacutec taacutec enzyme Fischer đềxuất mocirc higravenh chigravea khoacutea-ổ khoacutea theo đoacute cơ chất vagrave enzyme coacute higravenh dạng đặc thugrave
phugrave hợp với nhau Mocirc higravenh nagravey chỉ giải thiacutech tiacutenh chọn lọc của xuacutec taacutec enzyme trecircn
cơ sở sự tương hợp cứng nhắc về mặt higravenh học magrave khocircng giải thiacutech được hoạt tiacutenh
cao của enzyme Sau đoacute Daniel Koshland bổ sung cho mocirc higravenh nagravey cho rằng caacutec
enzyme do cấu truacutec mềm dẻo của noacute magrave tacircm hoạt động khi tương taacutec với cơ chất
cũng khocircng cứng nhắc magrave thay đổi cấu higravenh trong sut quaacute trigravenh tương taacutec Mocirc higravenh
nagravey cũng chưa lagravem rotilde được vai trograve của xuacutec taacutec enzyme Hoạt tiacutenh vagrave độ chọn lọc của enzyme phải được giải thiacutech bằng nhiều yếu t
Enzyme coacute thể giuacutep hạ thấp năng lượng hoạt hoacutea của phản ứng theo caacutec caacutech
sau
bull Lagravem biến dạng trạng thaacutei chuyển tiếp lagravem cho trạng thaacutei nagravey bền hơ n do đoacute
giảm năng lượng hoạt hoacutea
bull Hạ thấp năng lượng của trạng thaacutei chuyển tiếp bằng caacutech tạo ra mocirci trường
với sự phacircn b điện tiacutech ngược với trạng thaacutei chuyển tiếp
bull Tạo ra một đường phản ứng thay thế enzyme sẽ phản ứng trực tiếp với cơ
chất để higravenh thagravenh phức trung gian enzyme-cơ chất sau đoacute enzyme mới
được taacutei tạo lại
bull Giảm biến thiecircn entropy của phản ứng bằng caacutech đem caacutec cơ chất lại với
nhau theo hướng thiacutech hợp để phản ứng
bull Tăng nhiệt độ để tăng tc phản ứng Yếu t nagravey thường chỉ coacute đoacuteng goacutep rất
nhỏ vagraveo hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme
Trong một phản ứng xuacutec taacutec enzyme cụ thể coacute thể coacute một s hoặc tất cả caacutec yếu
t trecircn Đa s caacutec phản ứng xuacutec taacutec enzyme đều coacute vai trograve hoacutea học của một tacircm hoạt
động vagrave phần cograven lại của phacircn tử enzyme đoacuteng vai trograve mocirci trường tạo thuận lợi về
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 263
ĐI HC QUOcircC GIA H NI
TRƯNG ĐI HC KHOA HC T NHIEcircN
------------------
--------------------
Tống Thị Thu Cuacutec
GOacuteP PHẦN NGHIEcircN CỨU CƠ CHẾ PHẢN ỨNG ESTERAZA
BẰNG PHƯƠ NG PHAacuteP TIacuteNH LƯỢNG TỬ
Chuyecircn ngagravenh Hoacutea lyacute thuyết vagrave Hoacutea lyacute
M s 62 44 31
LUN VĂN THC S KHOA HC
NGƯI HƯƠNG DAcircN KHOA HC
TS Nguyễn Hữu Thọ
HAgrave NI ndash 2010
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 363
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 463
1
MỞ ĐẦU
Ngagravey nay cugraveng với sự hoagraven thiện của caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten hoacutea lượngtử sự quan tacircm của hoacutea học lyacute thuyết đến lĩnh vực xuacutec taacutec enzyme ngagravey cagraveng lớn
Nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme lagravem saacuteng tỏ bản chất hoacutea học của caacutec phản ứng trong
cơ thể sng Một khi caacutec phương phaacutep lyacute thuyết thagravenh cocircng trong lĩnh vực nagravey sẽ
mở đường cho việc tigravem kiếm dược phẩm mới điều trị nhiều loại bệnh tật cho con
người magrave khocircng cograven phải mograve mẫm nhất lagrave khi việc thử nghiệm thuc mới trecircn cơ
thể con người khocircng thể tugravey tiện
Luận văn nagravey tập trung lagravem saacuteng tỏ cơ chế xuacutec taacutec của một nhoacutem enzyme
xuacutec taacutec cho phản ứng thủy phacircn - enzyme esterase cụ thể lagrave enzyme
acetylcholinesterase Về mặt chức năng đacircy lagrave enzyme coacute vai tr ograve rất quan trọng đi
với cơ thể vigrave noacute tham gia trực tiếp vagraveo quaacute trigravenh truyền dẫn xung thần kinh Về mặt
động học xuacutec taacutec đacircy lagrave loại enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao noacute tham gia
trực tiếp vagraveo phản ứng hoacutea học vagrave thể hiện đầy đủ caacutec nhacircn t magrave một xuacutec taacutec
enzyme coacute thể taacutec động đến phản ứng hoacutea học
Hiện nay caacutec phương phaacutep lyacute thuyết nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme chưa
hoagraven thiện vigrave vậy việc tiếp cận để cải tiến caacutec phương phaacutep nagravey lagrave một hướng phaacutet
triển được ưu tiecircn vigrave noacute sẽ tạo ra một bước nhảy vọt trong hoacutea lyacute thuyết đưa lyacute
thuyết tiến gần đến thực nghiệm hơn
Luận văn nagravey dugraveng một phương phaacutep đang phổ biến hiện nay khi nghiecircn cứu
hệ xuacutec taacutec lagrave phương phaacutep QMMM với kĩ thuật ONIOM Ở đacircy phương phaacutep nagraveyđược dugraveng kết hợp với caacutec tiacutenh toaacuten đơn giản hơn lagravem cơ sở dự đoaacuten cơ chế phản
ứng nhằm xacircy dựng một quy trigravenh coacute hệ thng để nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme noacutei
chung
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 563
2
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
11 Đối tượng nghiecircn cứu
111 Acetylcholinesterase
1111 Cấu truacutec
Acetylcholinesterase lagrave một loại protein chức năng thuộc nhoacutem hydrolase
Vigrave vậy về cơ bản acetylcholinesterase cũng coacute đặc điểm cấu truacutec chung của protein
a) Cấu truacutec sơ cấp (bậc 1)
Acetylcholinesterase ở caacutec loagravei khaacutec nhau coacute cấu truacutec khaacutec nhau Dưới đacircyđưa ra cấu truacutec acetylcholine của caacute đui điện chuột vagrave của người
(Kiacute hiệu của caacutec aminoaxit xem trong phần phụ lục)
Caacute đuối điện do đặc điểm hoạt động magrave acetylcholinesterase phổ biến ở loagravei nagravey
MNLLVTSSLG VLLHLVVLCQ ADDHSELLVN TKSGKVMGTR VPVLSSHISA FLGIPFAEPP
70 80 90 100 110 120
VGNMRFRRPE PKKPWSGVWN ASTYPNNCQQ YVDEQFPGFS GSEMWNPNRE MSEDCLYLNI
130 140 150 160 170 180
WVPSPRPKST TVMVWIYGGG FYSGSSTLDV YNGKYLAYTE EVVLVSLSYR VGAFGFLALH
190 200 210 220 230 240
GSQEAPGNVG LLDQRMALQW VHDNIQFFGG DPKTVTIFGE SAGGASVGMH ILSPGSRDLF
250 260 270 280 290 300
RRAILQSGSP NCPWASVSVA EGRRRAVELG RNLNCNLNSD EELIHCLREK KPQELIDVEW
310 320 330 340 350 360
NVLPFDSIFR FSFVPVIDGE FFPTSLESML NSGNFKKTQI LLGVNKDEGS FFLLYGAPGF
370 380 390 400 410 420
SKDSESKISR EDFMSGVKLS VPHANDLGLD AVTLQYTDWM DDNNGIKNRD GLDDIVGDHN
430 440 450 460 470 480
VICPLMHFVN KYTKFGNGTY LYFFNHRASN LVWPEWMGVI HGYEIEFVFG LPLVKELNYT
490 500 510 520 530 540
AEEEALSRRI MHYWATFAKT GNPNEPHSQE SKWPLFTTKE QKFIDLNTEP MKVHQRLRVQ
550 560 570 580
MCVFWNQFLP KLLNATACDG ELSSSGTSSS KGIIFYVLFS ILYLIF
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 663
3
Trong đoacute 21 aminoaxit đầu tiecircn lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu mang thocircng tin điều
khiển việc chuyển vận của phacircn tử protein Sau khi protein đến vị triacute điacutech caacutec
aminoaxit nagravey sẽ bị taacutech ra 22 aminoaxit cui cugraveng lagrave đoạn peptit tiền hoạt hoacutea
Protein chỉ thực hiện chức năng khi phần nagravey được taacutech bỏ Như vậy ở trạng thaacutei
hoạt hoacutea phacircn tử enzyme acetylcholinesterase gồm 543 aminoaxit (phần in đậm)
Chuột
MRPPWYPLHT PSLAFPLLFL LLSLLGGGAR AEGREDPQLL VRVRGGQLRG IRLKAPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPVGSRRFMP PEPKRPWSGV LDATTFQNVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
130 140 150 160 170 180 RELSEDCLYL NVWTPYPRPA SPTPVLIWIY GGGFYSGAAS LDVYDGRFLA QVEGAVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGTFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENIAA FGGDPMSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHILSLPSR SLFHRAVLQS GTPNGPWATV SAGEARRRAT LLARLVGCPP GGAGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
IACLRTRPAQ DLVDHEWHVL PQESIFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINTG DFQDLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGVPGFSKD NESLISRAQF LAGVRIGVPQ ASDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPTHLRDAMS AVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYI FEHRASTLTW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540
EIEFIFGLPL DPSLNYTTEE RIFAQRLMKY WTNFARTGDP NDPRDSKSPQ WPPYTTAAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLNLKPLE VRRGLRAQTC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQER CSDL
Trong đoacute 31 aminoaxit đầu tiecircn cũng lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu cograven lại 583
aminoaxit tham gia thực hiện chức năng (phần in đậm)
Người
MRPPQCLLHT PSLASPLLLL LLWLLGGGVG AEGREDAELL VTVRGGRLRG IRLKTPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPMGPRRFLP PEPKQPWSGV VDATTFQSVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 763
4
130 140 150 160 170 180
RELSEDCLYL NVWTPYPRPT SPTPVLVWIY GGGFYSGASS LDVYDGRFLV QAERTVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGAFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENVAA FGGDPTSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHLLSPPSR GLFHRAVLQS GAPNGPWATV GMGEARRRAT QLAHLVGCPP GGTGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
VACLRTRPAQ VLVNHEWHVL PQESVFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINAG DFHGLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGAPGFSKD NESLISRAEF LAGVRVGVPQ VSDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPARLREALS DVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYV FEHRASTLSW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540 EIEFIFGIPL DPSRNYTAEE KIFAQRLMRY WANFARTGDP NEPRDPKAPQ WPPYTAGAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLDLRPLE VRRGLRAQAC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQDR CSDL
Đi chiếu cấu truacutec bậc một của acetylcholinesterase ở chuột vagrave người ta thấy
chuacuteng hoagraven toagraven ging nhau
Tuy enzyme của caacute đui điện khaacutec với enzyme trong cơ thể chuột vagrave người
nhưng cả 3 enzyme nagravey về cơ bản thuộc nhoacutem coacute tacircm xuacutec taacutec bộ ba Ser-Glu-
Histiđin Do tiacutenh chất đơ n giản trong cấu truacutec enzyme ở caacute đui điện vagrave caacutec tagravei liệu
thu thập được từ thực nghiệm trong luận văn nagravey bước đầu sẽ nghiecircn cứu hệ xuacutec
taacutec với enzyme ở caacute đui điện
b) Cấu truacutec thứ cấp (bậc 2) higravenh 11
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 863
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 963
6
Higravenh 1 2 Cấu truacutec khocircng gian của acetylcholinesterase khocircng coacute vagrave coacute cơ chất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1063
7
1112 Chức năng sinh học
Acetylcholinesterase nằm trong danh mục caacutec hydrolase (EC 3) thuộc nhoacutem
esterase ndash nhoacutem enzyme coacute chức năng xuacutec taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn este thagravenhaxit vagrave ancol trong phản ứng hoacutea học với nước Acetylcholinesterase coacute s hiệu EC
3117
Acetylcholinesterase coacute vai trograve quan trọng trong hoạt động thần kinh noacute xuacutec
taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine Chất nagravey
coacute nhiệm vụ mang tiacuten hiệu từ caacutec tế bagraveo thần kinh tới tế bagraveo cơ Khi một tế bagraveo thần
kinh vận động nhận được tiacuten hiệu từ trung khu thần kinh noacute sẽ tiết ra acetylcholine
đi vagraveo caacutec synap giữa tế bagraveo thần kinh vận động vagrave tế bagraveo cơ Tại đacircy acetylcholine
kiacutech hoạt caacutec thụ quan trong tế bagraveo cơ phaacutet động quaacute trigravenh co cơ Khi tiacuten hiệu đ
được truyền tải thigrave acetylcholine cần phải bị phaacute hủy nếu khocircng noacute sẽ tiếp tục taacutec
động đến caacutec thụ quan của tế bagraveo cơ vagrave tiacuten hiệu bị chồng lấn lecircn nhau
Acetylcholinesterase coacute mặt tại synap giữa tế bagraveo thần kinh vagrave tế bagraveo cơ đảm nhận
chức năng phaacute hủy acetylcholine ngay sau khi tiacuten hiệu được truyền đi Dưới taacutec
dụng của acetylcholinesterase acetylcholine sẽ bị thủy phacircn thagravenh axit axetic vagravecholine Sau đoacute choline sẽ được quay vograveng để chuyển lạ i thagravenh acetylcholine Như
vậy việc điều tiết acetylcholinesterase đảm bảo cho hoạt động thần kinh diễn ra
nhịp nhagraveng
112 Đặc điểm xuacutec taacutec
Do chức năng sinh học của acetylcholinesterase trong việc truyền xung thần
kinh magrave noacute cần phải coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao hệ s chu chuyển của noacute lagrave
103 ndash 104 s-1 tc độ gần với giới hạn khuếch taacuten [6] Như caacutec enzyme khaacutec
acetylcholinesterase coacute tiacutenh chọn lọc cao cơ chất của noacute lagrave acetylcholine noacute cũng
dễ bị ức chế bởi nhiều chất khaacutec nhau ngay cả khi nồng độ cơ chất acetylcholine
quaacute lớn noacute cũng bị ức chế Việc nghiecircn cứu chi tiết về enzyme nagravey khocircng chỉ nhằm
lagravem rotilde cơ chế taacutec động của noacute lecircn phản ứng magrave cograven coacute thể tigravem được caacutec chất ức chế
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1163
8
hoạt tiacutenh của noacute Chất ức chế sẽ coacute taacutec dụng ngăn chặn quaacute trigraven h thủy phacircn
acetylcholine lagravem tăng cường độ tiacuten hiệu của xung thần kinh
Để giải thiacutech tiacutenh chất chọn lọc của phản ứng xuacutec taacutec enzyme Fischer đềxuất mocirc higravenh chigravea khoacutea-ổ khoacutea theo đoacute cơ chất vagrave enzyme coacute higravenh dạng đặc thugrave
phugrave hợp với nhau Mocirc higravenh nagravey chỉ giải thiacutech tiacutenh chọn lọc của xuacutec taacutec enzyme trecircn
cơ sở sự tương hợp cứng nhắc về mặt higravenh học magrave khocircng giải thiacutech được hoạt tiacutenh
cao của enzyme Sau đoacute Daniel Koshland bổ sung cho mocirc higravenh nagravey cho rằng caacutec
enzyme do cấu truacutec mềm dẻo của noacute magrave tacircm hoạt động khi tương taacutec với cơ chất
cũng khocircng cứng nhắc magrave thay đổi cấu higravenh trong sut quaacute trigravenh tương taacutec Mocirc higravenh
nagravey cũng chưa lagravem rotilde được vai trograve của xuacutec taacutec enzyme Hoạt tiacutenh vagrave độ chọn lọc của enzyme phải được giải thiacutech bằng nhiều yếu t
Enzyme coacute thể giuacutep hạ thấp năng lượng hoạt hoacutea của phản ứng theo caacutec caacutech
sau
bull Lagravem biến dạng trạng thaacutei chuyển tiếp lagravem cho trạng thaacutei nagravey bền hơ n do đoacute
giảm năng lượng hoạt hoacutea
bull Hạ thấp năng lượng của trạng thaacutei chuyển tiếp bằng caacutech tạo ra mocirci trường
với sự phacircn b điện tiacutech ngược với trạng thaacutei chuyển tiếp
bull Tạo ra một đường phản ứng thay thế enzyme sẽ phản ứng trực tiếp với cơ
chất để higravenh thagravenh phức trung gian enzyme-cơ chất sau đoacute enzyme mới
được taacutei tạo lại
bull Giảm biến thiecircn entropy của phản ứng bằng caacutech đem caacutec cơ chất lại với
nhau theo hướng thiacutech hợp để phản ứng
bull Tăng nhiệt độ để tăng tc phản ứng Yếu t nagravey thường chỉ coacute đoacuteng goacutep rất
nhỏ vagraveo hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme
Trong một phản ứng xuacutec taacutec enzyme cụ thể coacute thể coacute một s hoặc tất cả caacutec yếu
t trecircn Đa s caacutec phản ứng xuacutec taacutec enzyme đều coacute vai trograve hoacutea học của một tacircm hoạt
động vagrave phần cograven lại của phacircn tử enzyme đoacuteng vai trograve mocirci trường tạo thuận lợi về
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 363
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 463
1
MỞ ĐẦU
Ngagravey nay cugraveng với sự hoagraven thiện của caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten hoacutea lượngtử sự quan tacircm của hoacutea học lyacute thuyết đến lĩnh vực xuacutec taacutec enzyme ngagravey cagraveng lớn
Nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme lagravem saacuteng tỏ bản chất hoacutea học của caacutec phản ứng trong
cơ thể sng Một khi caacutec phương phaacutep lyacute thuyết thagravenh cocircng trong lĩnh vực nagravey sẽ
mở đường cho việc tigravem kiếm dược phẩm mới điều trị nhiều loại bệnh tật cho con
người magrave khocircng cograven phải mograve mẫm nhất lagrave khi việc thử nghiệm thuc mới trecircn cơ
thể con người khocircng thể tugravey tiện
Luận văn nagravey tập trung lagravem saacuteng tỏ cơ chế xuacutec taacutec của một nhoacutem enzyme
xuacutec taacutec cho phản ứng thủy phacircn - enzyme esterase cụ thể lagrave enzyme
acetylcholinesterase Về mặt chức năng đacircy lagrave enzyme coacute vai tr ograve rất quan trọng đi
với cơ thể vigrave noacute tham gia trực tiếp vagraveo quaacute trigravenh truyền dẫn xung thần kinh Về mặt
động học xuacutec taacutec đacircy lagrave loại enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao noacute tham gia
trực tiếp vagraveo phản ứng hoacutea học vagrave thể hiện đầy đủ caacutec nhacircn t magrave một xuacutec taacutec
enzyme coacute thể taacutec động đến phản ứng hoacutea học
Hiện nay caacutec phương phaacutep lyacute thuyết nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme chưa
hoagraven thiện vigrave vậy việc tiếp cận để cải tiến caacutec phương phaacutep nagravey lagrave một hướng phaacutet
triển được ưu tiecircn vigrave noacute sẽ tạo ra một bước nhảy vọt trong hoacutea lyacute thuyết đưa lyacute
thuyết tiến gần đến thực nghiệm hơn
Luận văn nagravey dugraveng một phương phaacutep đang phổ biến hiện nay khi nghiecircn cứu
hệ xuacutec taacutec lagrave phương phaacutep QMMM với kĩ thuật ONIOM Ở đacircy phương phaacutep nagraveyđược dugraveng kết hợp với caacutec tiacutenh toaacuten đơn giản hơn lagravem cơ sở dự đoaacuten cơ chế phản
ứng nhằm xacircy dựng một quy trigravenh coacute hệ thng để nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme noacutei
chung
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 563
2
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
11 Đối tượng nghiecircn cứu
111 Acetylcholinesterase
1111 Cấu truacutec
Acetylcholinesterase lagrave một loại protein chức năng thuộc nhoacutem hydrolase
Vigrave vậy về cơ bản acetylcholinesterase cũng coacute đặc điểm cấu truacutec chung của protein
a) Cấu truacutec sơ cấp (bậc 1)
Acetylcholinesterase ở caacutec loagravei khaacutec nhau coacute cấu truacutec khaacutec nhau Dưới đacircyđưa ra cấu truacutec acetylcholine của caacute đui điện chuột vagrave của người
(Kiacute hiệu của caacutec aminoaxit xem trong phần phụ lục)
Caacute đuối điện do đặc điểm hoạt động magrave acetylcholinesterase phổ biến ở loagravei nagravey
MNLLVTSSLG VLLHLVVLCQ ADDHSELLVN TKSGKVMGTR VPVLSSHISA FLGIPFAEPP
70 80 90 100 110 120
VGNMRFRRPE PKKPWSGVWN ASTYPNNCQQ YVDEQFPGFS GSEMWNPNRE MSEDCLYLNI
130 140 150 160 170 180
WVPSPRPKST TVMVWIYGGG FYSGSSTLDV YNGKYLAYTE EVVLVSLSYR VGAFGFLALH
190 200 210 220 230 240
GSQEAPGNVG LLDQRMALQW VHDNIQFFGG DPKTVTIFGE SAGGASVGMH ILSPGSRDLF
250 260 270 280 290 300
RRAILQSGSP NCPWASVSVA EGRRRAVELG RNLNCNLNSD EELIHCLREK KPQELIDVEW
310 320 330 340 350 360
NVLPFDSIFR FSFVPVIDGE FFPTSLESML NSGNFKKTQI LLGVNKDEGS FFLLYGAPGF
370 380 390 400 410 420
SKDSESKISR EDFMSGVKLS VPHANDLGLD AVTLQYTDWM DDNNGIKNRD GLDDIVGDHN
430 440 450 460 470 480
VICPLMHFVN KYTKFGNGTY LYFFNHRASN LVWPEWMGVI HGYEIEFVFG LPLVKELNYT
490 500 510 520 530 540
AEEEALSRRI MHYWATFAKT GNPNEPHSQE SKWPLFTTKE QKFIDLNTEP MKVHQRLRVQ
550 560 570 580
MCVFWNQFLP KLLNATACDG ELSSSGTSSS KGIIFYVLFS ILYLIF
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 663
3
Trong đoacute 21 aminoaxit đầu tiecircn lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu mang thocircng tin điều
khiển việc chuyển vận của phacircn tử protein Sau khi protein đến vị triacute điacutech caacutec
aminoaxit nagravey sẽ bị taacutech ra 22 aminoaxit cui cugraveng lagrave đoạn peptit tiền hoạt hoacutea
Protein chỉ thực hiện chức năng khi phần nagravey được taacutech bỏ Như vậy ở trạng thaacutei
hoạt hoacutea phacircn tử enzyme acetylcholinesterase gồm 543 aminoaxit (phần in đậm)
Chuột
MRPPWYPLHT PSLAFPLLFL LLSLLGGGAR AEGREDPQLL VRVRGGQLRG IRLKAPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPVGSRRFMP PEPKRPWSGV LDATTFQNVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
130 140 150 160 170 180 RELSEDCLYL NVWTPYPRPA SPTPVLIWIY GGGFYSGAAS LDVYDGRFLA QVEGAVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGTFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENIAA FGGDPMSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHILSLPSR SLFHRAVLQS GTPNGPWATV SAGEARRRAT LLARLVGCPP GGAGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
IACLRTRPAQ DLVDHEWHVL PQESIFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINTG DFQDLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGVPGFSKD NESLISRAQF LAGVRIGVPQ ASDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPTHLRDAMS AVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYI FEHRASTLTW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540
EIEFIFGLPL DPSLNYTTEE RIFAQRLMKY WTNFARTGDP NDPRDSKSPQ WPPYTTAAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLNLKPLE VRRGLRAQTC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQER CSDL
Trong đoacute 31 aminoaxit đầu tiecircn cũng lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu cograven lại 583
aminoaxit tham gia thực hiện chức năng (phần in đậm)
Người
MRPPQCLLHT PSLASPLLLL LLWLLGGGVG AEGREDAELL VTVRGGRLRG IRLKTPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPMGPRRFLP PEPKQPWSGV VDATTFQSVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 763
4
130 140 150 160 170 180
RELSEDCLYL NVWTPYPRPT SPTPVLVWIY GGGFYSGASS LDVYDGRFLV QAERTVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGAFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENVAA FGGDPTSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHLLSPPSR GLFHRAVLQS GAPNGPWATV GMGEARRRAT QLAHLVGCPP GGTGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
VACLRTRPAQ VLVNHEWHVL PQESVFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINAG DFHGLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGAPGFSKD NESLISRAEF LAGVRVGVPQ VSDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPARLREALS DVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYV FEHRASTLSW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540 EIEFIFGIPL DPSRNYTAEE KIFAQRLMRY WANFARTGDP NEPRDPKAPQ WPPYTAGAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLDLRPLE VRRGLRAQAC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQDR CSDL
Đi chiếu cấu truacutec bậc một của acetylcholinesterase ở chuột vagrave người ta thấy
chuacuteng hoagraven toagraven ging nhau
Tuy enzyme của caacute đui điện khaacutec với enzyme trong cơ thể chuột vagrave người
nhưng cả 3 enzyme nagravey về cơ bản thuộc nhoacutem coacute tacircm xuacutec taacutec bộ ba Ser-Glu-
Histiđin Do tiacutenh chất đơ n giản trong cấu truacutec enzyme ở caacute đui điện vagrave caacutec tagravei liệu
thu thập được từ thực nghiệm trong luận văn nagravey bước đầu sẽ nghiecircn cứu hệ xuacutec
taacutec với enzyme ở caacute đui điện
b) Cấu truacutec thứ cấp (bậc 2) higravenh 11
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 863
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 963
6
Higravenh 1 2 Cấu truacutec khocircng gian của acetylcholinesterase khocircng coacute vagrave coacute cơ chất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1063
7
1112 Chức năng sinh học
Acetylcholinesterase nằm trong danh mục caacutec hydrolase (EC 3) thuộc nhoacutem
esterase ndash nhoacutem enzyme coacute chức năng xuacutec taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn este thagravenhaxit vagrave ancol trong phản ứng hoacutea học với nước Acetylcholinesterase coacute s hiệu EC
3117
Acetylcholinesterase coacute vai trograve quan trọng trong hoạt động thần kinh noacute xuacutec
taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine Chất nagravey
coacute nhiệm vụ mang tiacuten hiệu từ caacutec tế bagraveo thần kinh tới tế bagraveo cơ Khi một tế bagraveo thần
kinh vận động nhận được tiacuten hiệu từ trung khu thần kinh noacute sẽ tiết ra acetylcholine
đi vagraveo caacutec synap giữa tế bagraveo thần kinh vận động vagrave tế bagraveo cơ Tại đacircy acetylcholine
kiacutech hoạt caacutec thụ quan trong tế bagraveo cơ phaacutet động quaacute trigravenh co cơ Khi tiacuten hiệu đ
được truyền tải thigrave acetylcholine cần phải bị phaacute hủy nếu khocircng noacute sẽ tiếp tục taacutec
động đến caacutec thụ quan của tế bagraveo cơ vagrave tiacuten hiệu bị chồng lấn lecircn nhau
Acetylcholinesterase coacute mặt tại synap giữa tế bagraveo thần kinh vagrave tế bagraveo cơ đảm nhận
chức năng phaacute hủy acetylcholine ngay sau khi tiacuten hiệu được truyền đi Dưới taacutec
dụng của acetylcholinesterase acetylcholine sẽ bị thủy phacircn thagravenh axit axetic vagravecholine Sau đoacute choline sẽ được quay vograveng để chuyển lạ i thagravenh acetylcholine Như
vậy việc điều tiết acetylcholinesterase đảm bảo cho hoạt động thần kinh diễn ra
nhịp nhagraveng
112 Đặc điểm xuacutec taacutec
Do chức năng sinh học của acetylcholinesterase trong việc truyền xung thần
kinh magrave noacute cần phải coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao hệ s chu chuyển của noacute lagrave
103 ndash 104 s-1 tc độ gần với giới hạn khuếch taacuten [6] Như caacutec enzyme khaacutec
acetylcholinesterase coacute tiacutenh chọn lọc cao cơ chất của noacute lagrave acetylcholine noacute cũng
dễ bị ức chế bởi nhiều chất khaacutec nhau ngay cả khi nồng độ cơ chất acetylcholine
quaacute lớn noacute cũng bị ức chế Việc nghiecircn cứu chi tiết về enzyme nagravey khocircng chỉ nhằm
lagravem rotilde cơ chế taacutec động của noacute lecircn phản ứng magrave cograven coacute thể tigravem được caacutec chất ức chế
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1163
8
hoạt tiacutenh của noacute Chất ức chế sẽ coacute taacutec dụng ngăn chặn quaacute trigraven h thủy phacircn
acetylcholine lagravem tăng cường độ tiacuten hiệu của xung thần kinh
Để giải thiacutech tiacutenh chất chọn lọc của phản ứng xuacutec taacutec enzyme Fischer đềxuất mocirc higravenh chigravea khoacutea-ổ khoacutea theo đoacute cơ chất vagrave enzyme coacute higravenh dạng đặc thugrave
phugrave hợp với nhau Mocirc higravenh nagravey chỉ giải thiacutech tiacutenh chọn lọc của xuacutec taacutec enzyme trecircn
cơ sở sự tương hợp cứng nhắc về mặt higravenh học magrave khocircng giải thiacutech được hoạt tiacutenh
cao của enzyme Sau đoacute Daniel Koshland bổ sung cho mocirc higravenh nagravey cho rằng caacutec
enzyme do cấu truacutec mềm dẻo của noacute magrave tacircm hoạt động khi tương taacutec với cơ chất
cũng khocircng cứng nhắc magrave thay đổi cấu higravenh trong sut quaacute trigravenh tương taacutec Mocirc higravenh
nagravey cũng chưa lagravem rotilde được vai trograve của xuacutec taacutec enzyme Hoạt tiacutenh vagrave độ chọn lọc của enzyme phải được giải thiacutech bằng nhiều yếu t
Enzyme coacute thể giuacutep hạ thấp năng lượng hoạt hoacutea của phản ứng theo caacutec caacutech
sau
bull Lagravem biến dạng trạng thaacutei chuyển tiếp lagravem cho trạng thaacutei nagravey bền hơ n do đoacute
giảm năng lượng hoạt hoacutea
bull Hạ thấp năng lượng của trạng thaacutei chuyển tiếp bằng caacutech tạo ra mocirci trường
với sự phacircn b điện tiacutech ngược với trạng thaacutei chuyển tiếp
bull Tạo ra một đường phản ứng thay thế enzyme sẽ phản ứng trực tiếp với cơ
chất để higravenh thagravenh phức trung gian enzyme-cơ chất sau đoacute enzyme mới
được taacutei tạo lại
bull Giảm biến thiecircn entropy của phản ứng bằng caacutech đem caacutec cơ chất lại với
nhau theo hướng thiacutech hợp để phản ứng
bull Tăng nhiệt độ để tăng tc phản ứng Yếu t nagravey thường chỉ coacute đoacuteng goacutep rất
nhỏ vagraveo hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme
Trong một phản ứng xuacutec taacutec enzyme cụ thể coacute thể coacute một s hoặc tất cả caacutec yếu
t trecircn Đa s caacutec phản ứng xuacutec taacutec enzyme đều coacute vai trograve hoacutea học của một tacircm hoạt
động vagrave phần cograven lại của phacircn tử enzyme đoacuteng vai trograve mocirci trường tạo thuận lợi về
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 463
1
MỞ ĐẦU
Ngagravey nay cugraveng với sự hoagraven thiện của caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten hoacutea lượngtử sự quan tacircm của hoacutea học lyacute thuyết đến lĩnh vực xuacutec taacutec enzyme ngagravey cagraveng lớn
Nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme lagravem saacuteng tỏ bản chất hoacutea học của caacutec phản ứng trong
cơ thể sng Một khi caacutec phương phaacutep lyacute thuyết thagravenh cocircng trong lĩnh vực nagravey sẽ
mở đường cho việc tigravem kiếm dược phẩm mới điều trị nhiều loại bệnh tật cho con
người magrave khocircng cograven phải mograve mẫm nhất lagrave khi việc thử nghiệm thuc mới trecircn cơ
thể con người khocircng thể tugravey tiện
Luận văn nagravey tập trung lagravem saacuteng tỏ cơ chế xuacutec taacutec của một nhoacutem enzyme
xuacutec taacutec cho phản ứng thủy phacircn - enzyme esterase cụ thể lagrave enzyme
acetylcholinesterase Về mặt chức năng đacircy lagrave enzyme coacute vai tr ograve rất quan trọng đi
với cơ thể vigrave noacute tham gia trực tiếp vagraveo quaacute trigravenh truyền dẫn xung thần kinh Về mặt
động học xuacutec taacutec đacircy lagrave loại enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao noacute tham gia
trực tiếp vagraveo phản ứng hoacutea học vagrave thể hiện đầy đủ caacutec nhacircn t magrave một xuacutec taacutec
enzyme coacute thể taacutec động đến phản ứng hoacutea học
Hiện nay caacutec phương phaacutep lyacute thuyết nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme chưa
hoagraven thiện vigrave vậy việc tiếp cận để cải tiến caacutec phương phaacutep nagravey lagrave một hướng phaacutet
triển được ưu tiecircn vigrave noacute sẽ tạo ra một bước nhảy vọt trong hoacutea lyacute thuyết đưa lyacute
thuyết tiến gần đến thực nghiệm hơn
Luận văn nagravey dugraveng một phương phaacutep đang phổ biến hiện nay khi nghiecircn cứu
hệ xuacutec taacutec lagrave phương phaacutep QMMM với kĩ thuật ONIOM Ở đacircy phương phaacutep nagraveyđược dugraveng kết hợp với caacutec tiacutenh toaacuten đơn giản hơn lagravem cơ sở dự đoaacuten cơ chế phản
ứng nhằm xacircy dựng một quy trigravenh coacute hệ thng để nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme noacutei
chung
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 563
2
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
11 Đối tượng nghiecircn cứu
111 Acetylcholinesterase
1111 Cấu truacutec
Acetylcholinesterase lagrave một loại protein chức năng thuộc nhoacutem hydrolase
Vigrave vậy về cơ bản acetylcholinesterase cũng coacute đặc điểm cấu truacutec chung của protein
a) Cấu truacutec sơ cấp (bậc 1)
Acetylcholinesterase ở caacutec loagravei khaacutec nhau coacute cấu truacutec khaacutec nhau Dưới đacircyđưa ra cấu truacutec acetylcholine của caacute đui điện chuột vagrave của người
(Kiacute hiệu của caacutec aminoaxit xem trong phần phụ lục)
Caacute đuối điện do đặc điểm hoạt động magrave acetylcholinesterase phổ biến ở loagravei nagravey
MNLLVTSSLG VLLHLVVLCQ ADDHSELLVN TKSGKVMGTR VPVLSSHISA FLGIPFAEPP
70 80 90 100 110 120
VGNMRFRRPE PKKPWSGVWN ASTYPNNCQQ YVDEQFPGFS GSEMWNPNRE MSEDCLYLNI
130 140 150 160 170 180
WVPSPRPKST TVMVWIYGGG FYSGSSTLDV YNGKYLAYTE EVVLVSLSYR VGAFGFLALH
190 200 210 220 230 240
GSQEAPGNVG LLDQRMALQW VHDNIQFFGG DPKTVTIFGE SAGGASVGMH ILSPGSRDLF
250 260 270 280 290 300
RRAILQSGSP NCPWASVSVA EGRRRAVELG RNLNCNLNSD EELIHCLREK KPQELIDVEW
310 320 330 340 350 360
NVLPFDSIFR FSFVPVIDGE FFPTSLESML NSGNFKKTQI LLGVNKDEGS FFLLYGAPGF
370 380 390 400 410 420
SKDSESKISR EDFMSGVKLS VPHANDLGLD AVTLQYTDWM DDNNGIKNRD GLDDIVGDHN
430 440 450 460 470 480
VICPLMHFVN KYTKFGNGTY LYFFNHRASN LVWPEWMGVI HGYEIEFVFG LPLVKELNYT
490 500 510 520 530 540
AEEEALSRRI MHYWATFAKT GNPNEPHSQE SKWPLFTTKE QKFIDLNTEP MKVHQRLRVQ
550 560 570 580
MCVFWNQFLP KLLNATACDG ELSSSGTSSS KGIIFYVLFS ILYLIF
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 663
3
Trong đoacute 21 aminoaxit đầu tiecircn lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu mang thocircng tin điều
khiển việc chuyển vận của phacircn tử protein Sau khi protein đến vị triacute điacutech caacutec
aminoaxit nagravey sẽ bị taacutech ra 22 aminoaxit cui cugraveng lagrave đoạn peptit tiền hoạt hoacutea
Protein chỉ thực hiện chức năng khi phần nagravey được taacutech bỏ Như vậy ở trạng thaacutei
hoạt hoacutea phacircn tử enzyme acetylcholinesterase gồm 543 aminoaxit (phần in đậm)
Chuột
MRPPWYPLHT PSLAFPLLFL LLSLLGGGAR AEGREDPQLL VRVRGGQLRG IRLKAPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPVGSRRFMP PEPKRPWSGV LDATTFQNVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
130 140 150 160 170 180 RELSEDCLYL NVWTPYPRPA SPTPVLIWIY GGGFYSGAAS LDVYDGRFLA QVEGAVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGTFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENIAA FGGDPMSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHILSLPSR SLFHRAVLQS GTPNGPWATV SAGEARRRAT LLARLVGCPP GGAGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
IACLRTRPAQ DLVDHEWHVL PQESIFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINTG DFQDLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGVPGFSKD NESLISRAQF LAGVRIGVPQ ASDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPTHLRDAMS AVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYI FEHRASTLTW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540
EIEFIFGLPL DPSLNYTTEE RIFAQRLMKY WTNFARTGDP NDPRDSKSPQ WPPYTTAAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLNLKPLE VRRGLRAQTC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQER CSDL
Trong đoacute 31 aminoaxit đầu tiecircn cũng lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu cograven lại 583
aminoaxit tham gia thực hiện chức năng (phần in đậm)
Người
MRPPQCLLHT PSLASPLLLL LLWLLGGGVG AEGREDAELL VTVRGGRLRG IRLKTPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPMGPRRFLP PEPKQPWSGV VDATTFQSVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 763
4
130 140 150 160 170 180
RELSEDCLYL NVWTPYPRPT SPTPVLVWIY GGGFYSGASS LDVYDGRFLV QAERTVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGAFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENVAA FGGDPTSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHLLSPPSR GLFHRAVLQS GAPNGPWATV GMGEARRRAT QLAHLVGCPP GGTGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
VACLRTRPAQ VLVNHEWHVL PQESVFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINAG DFHGLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGAPGFSKD NESLISRAEF LAGVRVGVPQ VSDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPARLREALS DVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYV FEHRASTLSW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540 EIEFIFGIPL DPSRNYTAEE KIFAQRLMRY WANFARTGDP NEPRDPKAPQ WPPYTAGAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLDLRPLE VRRGLRAQAC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQDR CSDL
Đi chiếu cấu truacutec bậc một của acetylcholinesterase ở chuột vagrave người ta thấy
chuacuteng hoagraven toagraven ging nhau
Tuy enzyme của caacute đui điện khaacutec với enzyme trong cơ thể chuột vagrave người
nhưng cả 3 enzyme nagravey về cơ bản thuộc nhoacutem coacute tacircm xuacutec taacutec bộ ba Ser-Glu-
Histiđin Do tiacutenh chất đơ n giản trong cấu truacutec enzyme ở caacute đui điện vagrave caacutec tagravei liệu
thu thập được từ thực nghiệm trong luận văn nagravey bước đầu sẽ nghiecircn cứu hệ xuacutec
taacutec với enzyme ở caacute đui điện
b) Cấu truacutec thứ cấp (bậc 2) higravenh 11
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 863
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 963
6
Higravenh 1 2 Cấu truacutec khocircng gian của acetylcholinesterase khocircng coacute vagrave coacute cơ chất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1063
7
1112 Chức năng sinh học
Acetylcholinesterase nằm trong danh mục caacutec hydrolase (EC 3) thuộc nhoacutem
esterase ndash nhoacutem enzyme coacute chức năng xuacutec taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn este thagravenhaxit vagrave ancol trong phản ứng hoacutea học với nước Acetylcholinesterase coacute s hiệu EC
3117
Acetylcholinesterase coacute vai trograve quan trọng trong hoạt động thần kinh noacute xuacutec
taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine Chất nagravey
coacute nhiệm vụ mang tiacuten hiệu từ caacutec tế bagraveo thần kinh tới tế bagraveo cơ Khi một tế bagraveo thần
kinh vận động nhận được tiacuten hiệu từ trung khu thần kinh noacute sẽ tiết ra acetylcholine
đi vagraveo caacutec synap giữa tế bagraveo thần kinh vận động vagrave tế bagraveo cơ Tại đacircy acetylcholine
kiacutech hoạt caacutec thụ quan trong tế bagraveo cơ phaacutet động quaacute trigravenh co cơ Khi tiacuten hiệu đ
được truyền tải thigrave acetylcholine cần phải bị phaacute hủy nếu khocircng noacute sẽ tiếp tục taacutec
động đến caacutec thụ quan của tế bagraveo cơ vagrave tiacuten hiệu bị chồng lấn lecircn nhau
Acetylcholinesterase coacute mặt tại synap giữa tế bagraveo thần kinh vagrave tế bagraveo cơ đảm nhận
chức năng phaacute hủy acetylcholine ngay sau khi tiacuten hiệu được truyền đi Dưới taacutec
dụng của acetylcholinesterase acetylcholine sẽ bị thủy phacircn thagravenh axit axetic vagravecholine Sau đoacute choline sẽ được quay vograveng để chuyển lạ i thagravenh acetylcholine Như
vậy việc điều tiết acetylcholinesterase đảm bảo cho hoạt động thần kinh diễn ra
nhịp nhagraveng
112 Đặc điểm xuacutec taacutec
Do chức năng sinh học của acetylcholinesterase trong việc truyền xung thần
kinh magrave noacute cần phải coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao hệ s chu chuyển của noacute lagrave
103 ndash 104 s-1 tc độ gần với giới hạn khuếch taacuten [6] Như caacutec enzyme khaacutec
acetylcholinesterase coacute tiacutenh chọn lọc cao cơ chất của noacute lagrave acetylcholine noacute cũng
dễ bị ức chế bởi nhiều chất khaacutec nhau ngay cả khi nồng độ cơ chất acetylcholine
quaacute lớn noacute cũng bị ức chế Việc nghiecircn cứu chi tiết về enzyme nagravey khocircng chỉ nhằm
lagravem rotilde cơ chế taacutec động của noacute lecircn phản ứng magrave cograven coacute thể tigravem được caacutec chất ức chế
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1163
8
hoạt tiacutenh của noacute Chất ức chế sẽ coacute taacutec dụng ngăn chặn quaacute trigraven h thủy phacircn
acetylcholine lagravem tăng cường độ tiacuten hiệu của xung thần kinh
Để giải thiacutech tiacutenh chất chọn lọc của phản ứng xuacutec taacutec enzyme Fischer đềxuất mocirc higravenh chigravea khoacutea-ổ khoacutea theo đoacute cơ chất vagrave enzyme coacute higravenh dạng đặc thugrave
phugrave hợp với nhau Mocirc higravenh nagravey chỉ giải thiacutech tiacutenh chọn lọc của xuacutec taacutec enzyme trecircn
cơ sở sự tương hợp cứng nhắc về mặt higravenh học magrave khocircng giải thiacutech được hoạt tiacutenh
cao của enzyme Sau đoacute Daniel Koshland bổ sung cho mocirc higravenh nagravey cho rằng caacutec
enzyme do cấu truacutec mềm dẻo của noacute magrave tacircm hoạt động khi tương taacutec với cơ chất
cũng khocircng cứng nhắc magrave thay đổi cấu higravenh trong sut quaacute trigravenh tương taacutec Mocirc higravenh
nagravey cũng chưa lagravem rotilde được vai trograve của xuacutec taacutec enzyme Hoạt tiacutenh vagrave độ chọn lọc của enzyme phải được giải thiacutech bằng nhiều yếu t
Enzyme coacute thể giuacutep hạ thấp năng lượng hoạt hoacutea của phản ứng theo caacutec caacutech
sau
bull Lagravem biến dạng trạng thaacutei chuyển tiếp lagravem cho trạng thaacutei nagravey bền hơ n do đoacute
giảm năng lượng hoạt hoacutea
bull Hạ thấp năng lượng của trạng thaacutei chuyển tiếp bằng caacutech tạo ra mocirci trường
với sự phacircn b điện tiacutech ngược với trạng thaacutei chuyển tiếp
bull Tạo ra một đường phản ứng thay thế enzyme sẽ phản ứng trực tiếp với cơ
chất để higravenh thagravenh phức trung gian enzyme-cơ chất sau đoacute enzyme mới
được taacutei tạo lại
bull Giảm biến thiecircn entropy của phản ứng bằng caacutech đem caacutec cơ chất lại với
nhau theo hướng thiacutech hợp để phản ứng
bull Tăng nhiệt độ để tăng tc phản ứng Yếu t nagravey thường chỉ coacute đoacuteng goacutep rất
nhỏ vagraveo hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme
Trong một phản ứng xuacutec taacutec enzyme cụ thể coacute thể coacute một s hoặc tất cả caacutec yếu
t trecircn Đa s caacutec phản ứng xuacutec taacutec enzyme đều coacute vai trograve hoacutea học của một tacircm hoạt
động vagrave phần cograven lại của phacircn tử enzyme đoacuteng vai trograve mocirci trường tạo thuận lợi về
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 563
2
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
11 Đối tượng nghiecircn cứu
111 Acetylcholinesterase
1111 Cấu truacutec
Acetylcholinesterase lagrave một loại protein chức năng thuộc nhoacutem hydrolase
Vigrave vậy về cơ bản acetylcholinesterase cũng coacute đặc điểm cấu truacutec chung của protein
a) Cấu truacutec sơ cấp (bậc 1)
Acetylcholinesterase ở caacutec loagravei khaacutec nhau coacute cấu truacutec khaacutec nhau Dưới đacircyđưa ra cấu truacutec acetylcholine của caacute đui điện chuột vagrave của người
(Kiacute hiệu của caacutec aminoaxit xem trong phần phụ lục)
Caacute đuối điện do đặc điểm hoạt động magrave acetylcholinesterase phổ biến ở loagravei nagravey
MNLLVTSSLG VLLHLVVLCQ ADDHSELLVN TKSGKVMGTR VPVLSSHISA FLGIPFAEPP
70 80 90 100 110 120
VGNMRFRRPE PKKPWSGVWN ASTYPNNCQQ YVDEQFPGFS GSEMWNPNRE MSEDCLYLNI
130 140 150 160 170 180
WVPSPRPKST TVMVWIYGGG FYSGSSTLDV YNGKYLAYTE EVVLVSLSYR VGAFGFLALH
190 200 210 220 230 240
GSQEAPGNVG LLDQRMALQW VHDNIQFFGG DPKTVTIFGE SAGGASVGMH ILSPGSRDLF
250 260 270 280 290 300
RRAILQSGSP NCPWASVSVA EGRRRAVELG RNLNCNLNSD EELIHCLREK KPQELIDVEW
310 320 330 340 350 360
NVLPFDSIFR FSFVPVIDGE FFPTSLESML NSGNFKKTQI LLGVNKDEGS FFLLYGAPGF
370 380 390 400 410 420
SKDSESKISR EDFMSGVKLS VPHANDLGLD AVTLQYTDWM DDNNGIKNRD GLDDIVGDHN
430 440 450 460 470 480
VICPLMHFVN KYTKFGNGTY LYFFNHRASN LVWPEWMGVI HGYEIEFVFG LPLVKELNYT
490 500 510 520 530 540
AEEEALSRRI MHYWATFAKT GNPNEPHSQE SKWPLFTTKE QKFIDLNTEP MKVHQRLRVQ
550 560 570 580
MCVFWNQFLP KLLNATACDG ELSSSGTSSS KGIIFYVLFS ILYLIF
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 663
3
Trong đoacute 21 aminoaxit đầu tiecircn lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu mang thocircng tin điều
khiển việc chuyển vận của phacircn tử protein Sau khi protein đến vị triacute điacutech caacutec
aminoaxit nagravey sẽ bị taacutech ra 22 aminoaxit cui cugraveng lagrave đoạn peptit tiền hoạt hoacutea
Protein chỉ thực hiện chức năng khi phần nagravey được taacutech bỏ Như vậy ở trạng thaacutei
hoạt hoacutea phacircn tử enzyme acetylcholinesterase gồm 543 aminoaxit (phần in đậm)
Chuột
MRPPWYPLHT PSLAFPLLFL LLSLLGGGAR AEGREDPQLL VRVRGGQLRG IRLKAPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPVGSRRFMP PEPKRPWSGV LDATTFQNVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
130 140 150 160 170 180 RELSEDCLYL NVWTPYPRPA SPTPVLIWIY GGGFYSGAAS LDVYDGRFLA QVEGAVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGTFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENIAA FGGDPMSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHILSLPSR SLFHRAVLQS GTPNGPWATV SAGEARRRAT LLARLVGCPP GGAGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
IACLRTRPAQ DLVDHEWHVL PQESIFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINTG DFQDLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGVPGFSKD NESLISRAQF LAGVRIGVPQ ASDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPTHLRDAMS AVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYI FEHRASTLTW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540
EIEFIFGLPL DPSLNYTTEE RIFAQRLMKY WTNFARTGDP NDPRDSKSPQ WPPYTTAAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLNLKPLE VRRGLRAQTC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQER CSDL
Trong đoacute 31 aminoaxit đầu tiecircn cũng lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu cograven lại 583
aminoaxit tham gia thực hiện chức năng (phần in đậm)
Người
MRPPQCLLHT PSLASPLLLL LLWLLGGGVG AEGREDAELL VTVRGGRLRG IRLKTPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPMGPRRFLP PEPKQPWSGV VDATTFQSVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 763
4
130 140 150 160 170 180
RELSEDCLYL NVWTPYPRPT SPTPVLVWIY GGGFYSGASS LDVYDGRFLV QAERTVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGAFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENVAA FGGDPTSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHLLSPPSR GLFHRAVLQS GAPNGPWATV GMGEARRRAT QLAHLVGCPP GGTGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
VACLRTRPAQ VLVNHEWHVL PQESVFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINAG DFHGLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGAPGFSKD NESLISRAEF LAGVRVGVPQ VSDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPARLREALS DVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYV FEHRASTLSW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540 EIEFIFGIPL DPSRNYTAEE KIFAQRLMRY WANFARTGDP NEPRDPKAPQ WPPYTAGAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLDLRPLE VRRGLRAQAC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQDR CSDL
Đi chiếu cấu truacutec bậc một của acetylcholinesterase ở chuột vagrave người ta thấy
chuacuteng hoagraven toagraven ging nhau
Tuy enzyme của caacute đui điện khaacutec với enzyme trong cơ thể chuột vagrave người
nhưng cả 3 enzyme nagravey về cơ bản thuộc nhoacutem coacute tacircm xuacutec taacutec bộ ba Ser-Glu-
Histiđin Do tiacutenh chất đơ n giản trong cấu truacutec enzyme ở caacute đui điện vagrave caacutec tagravei liệu
thu thập được từ thực nghiệm trong luận văn nagravey bước đầu sẽ nghiecircn cứu hệ xuacutec
taacutec với enzyme ở caacute đui điện
b) Cấu truacutec thứ cấp (bậc 2) higravenh 11
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 863
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 963
6
Higravenh 1 2 Cấu truacutec khocircng gian của acetylcholinesterase khocircng coacute vagrave coacute cơ chất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1063
7
1112 Chức năng sinh học
Acetylcholinesterase nằm trong danh mục caacutec hydrolase (EC 3) thuộc nhoacutem
esterase ndash nhoacutem enzyme coacute chức năng xuacutec taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn este thagravenhaxit vagrave ancol trong phản ứng hoacutea học với nước Acetylcholinesterase coacute s hiệu EC
3117
Acetylcholinesterase coacute vai trograve quan trọng trong hoạt động thần kinh noacute xuacutec
taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine Chất nagravey
coacute nhiệm vụ mang tiacuten hiệu từ caacutec tế bagraveo thần kinh tới tế bagraveo cơ Khi một tế bagraveo thần
kinh vận động nhận được tiacuten hiệu từ trung khu thần kinh noacute sẽ tiết ra acetylcholine
đi vagraveo caacutec synap giữa tế bagraveo thần kinh vận động vagrave tế bagraveo cơ Tại đacircy acetylcholine
kiacutech hoạt caacutec thụ quan trong tế bagraveo cơ phaacutet động quaacute trigravenh co cơ Khi tiacuten hiệu đ
được truyền tải thigrave acetylcholine cần phải bị phaacute hủy nếu khocircng noacute sẽ tiếp tục taacutec
động đến caacutec thụ quan của tế bagraveo cơ vagrave tiacuten hiệu bị chồng lấn lecircn nhau
Acetylcholinesterase coacute mặt tại synap giữa tế bagraveo thần kinh vagrave tế bagraveo cơ đảm nhận
chức năng phaacute hủy acetylcholine ngay sau khi tiacuten hiệu được truyền đi Dưới taacutec
dụng của acetylcholinesterase acetylcholine sẽ bị thủy phacircn thagravenh axit axetic vagravecholine Sau đoacute choline sẽ được quay vograveng để chuyển lạ i thagravenh acetylcholine Như
vậy việc điều tiết acetylcholinesterase đảm bảo cho hoạt động thần kinh diễn ra
nhịp nhagraveng
112 Đặc điểm xuacutec taacutec
Do chức năng sinh học của acetylcholinesterase trong việc truyền xung thần
kinh magrave noacute cần phải coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao hệ s chu chuyển của noacute lagrave
103 ndash 104 s-1 tc độ gần với giới hạn khuếch taacuten [6] Như caacutec enzyme khaacutec
acetylcholinesterase coacute tiacutenh chọn lọc cao cơ chất của noacute lagrave acetylcholine noacute cũng
dễ bị ức chế bởi nhiều chất khaacutec nhau ngay cả khi nồng độ cơ chất acetylcholine
quaacute lớn noacute cũng bị ức chế Việc nghiecircn cứu chi tiết về enzyme nagravey khocircng chỉ nhằm
lagravem rotilde cơ chế taacutec động của noacute lecircn phản ứng magrave cograven coacute thể tigravem được caacutec chất ức chế
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1163
8
hoạt tiacutenh của noacute Chất ức chế sẽ coacute taacutec dụng ngăn chặn quaacute trigraven h thủy phacircn
acetylcholine lagravem tăng cường độ tiacuten hiệu của xung thần kinh
Để giải thiacutech tiacutenh chất chọn lọc của phản ứng xuacutec taacutec enzyme Fischer đềxuất mocirc higravenh chigravea khoacutea-ổ khoacutea theo đoacute cơ chất vagrave enzyme coacute higravenh dạng đặc thugrave
phugrave hợp với nhau Mocirc higravenh nagravey chỉ giải thiacutech tiacutenh chọn lọc của xuacutec taacutec enzyme trecircn
cơ sở sự tương hợp cứng nhắc về mặt higravenh học magrave khocircng giải thiacutech được hoạt tiacutenh
cao của enzyme Sau đoacute Daniel Koshland bổ sung cho mocirc higravenh nagravey cho rằng caacutec
enzyme do cấu truacutec mềm dẻo của noacute magrave tacircm hoạt động khi tương taacutec với cơ chất
cũng khocircng cứng nhắc magrave thay đổi cấu higravenh trong sut quaacute trigravenh tương taacutec Mocirc higravenh
nagravey cũng chưa lagravem rotilde được vai trograve của xuacutec taacutec enzyme Hoạt tiacutenh vagrave độ chọn lọc của enzyme phải được giải thiacutech bằng nhiều yếu t
Enzyme coacute thể giuacutep hạ thấp năng lượng hoạt hoacutea của phản ứng theo caacutec caacutech
sau
bull Lagravem biến dạng trạng thaacutei chuyển tiếp lagravem cho trạng thaacutei nagravey bền hơ n do đoacute
giảm năng lượng hoạt hoacutea
bull Hạ thấp năng lượng của trạng thaacutei chuyển tiếp bằng caacutech tạo ra mocirci trường
với sự phacircn b điện tiacutech ngược với trạng thaacutei chuyển tiếp
bull Tạo ra một đường phản ứng thay thế enzyme sẽ phản ứng trực tiếp với cơ
chất để higravenh thagravenh phức trung gian enzyme-cơ chất sau đoacute enzyme mới
được taacutei tạo lại
bull Giảm biến thiecircn entropy của phản ứng bằng caacutech đem caacutec cơ chất lại với
nhau theo hướng thiacutech hợp để phản ứng
bull Tăng nhiệt độ để tăng tc phản ứng Yếu t nagravey thường chỉ coacute đoacuteng goacutep rất
nhỏ vagraveo hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme
Trong một phản ứng xuacutec taacutec enzyme cụ thể coacute thể coacute một s hoặc tất cả caacutec yếu
t trecircn Đa s caacutec phản ứng xuacutec taacutec enzyme đều coacute vai trograve hoacutea học của một tacircm hoạt
động vagrave phần cograven lại của phacircn tử enzyme đoacuteng vai trograve mocirci trường tạo thuận lợi về
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 663
3
Trong đoacute 21 aminoaxit đầu tiecircn lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu mang thocircng tin điều
khiển việc chuyển vận của phacircn tử protein Sau khi protein đến vị triacute điacutech caacutec
aminoaxit nagravey sẽ bị taacutech ra 22 aminoaxit cui cugraveng lagrave đoạn peptit tiền hoạt hoacutea
Protein chỉ thực hiện chức năng khi phần nagravey được taacutech bỏ Như vậy ở trạng thaacutei
hoạt hoacutea phacircn tử enzyme acetylcholinesterase gồm 543 aminoaxit (phần in đậm)
Chuột
MRPPWYPLHT PSLAFPLLFL LLSLLGGGAR AEGREDPQLL VRVRGGQLRG IRLKAPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPVGSRRFMP PEPKRPWSGV LDATTFQNVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
130 140 150 160 170 180 RELSEDCLYL NVWTPYPRPA SPTPVLIWIY GGGFYSGAAS LDVYDGRFLA QVEGAVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGTFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENIAA FGGDPMSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHILSLPSR SLFHRAVLQS GTPNGPWATV SAGEARRRAT LLARLVGCPP GGAGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
IACLRTRPAQ DLVDHEWHVL PQESIFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINTG DFQDLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGVPGFSKD NESLISRAQF LAGVRIGVPQ ASDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPTHLRDAMS AVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYI FEHRASTLTW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540
EIEFIFGLPL DPSLNYTTEE RIFAQRLMKY WTNFARTGDP NDPRDSKSPQ WPPYTTAAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLNLKPLE VRRGLRAQTC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQER CSDL
Trong đoacute 31 aminoaxit đầu tiecircn cũng lagrave đoạn peptit tiacuten hiệu cograven lại 583
aminoaxit tham gia thực hiện chức năng (phần in đậm)
Người
MRPPQCLLHT PSLASPLLLL LLWLLGGGVG AEGREDAELL VTVRGGRLRG IRLKTPGGPV
70 80 90 100 110 120
SAFLGIPFAE PPMGPRRFLP PEPKQPWSGV VDATTFQSVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 763
4
130 140 150 160 170 180
RELSEDCLYL NVWTPYPRPT SPTPVLVWIY GGGFYSGASS LDVYDGRFLV QAERTVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGAFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENVAA FGGDPTSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHLLSPPSR GLFHRAVLQS GAPNGPWATV GMGEARRRAT QLAHLVGCPP GGTGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
VACLRTRPAQ VLVNHEWHVL PQESVFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINAG DFHGLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGAPGFSKD NESLISRAEF LAGVRVGVPQ VSDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPARLREALS DVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYV FEHRASTLSW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540 EIEFIFGIPL DPSRNYTAEE KIFAQRLMRY WANFARTGDP NEPRDPKAPQ WPPYTAGAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLDLRPLE VRRGLRAQAC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQDR CSDL
Đi chiếu cấu truacutec bậc một của acetylcholinesterase ở chuột vagrave người ta thấy
chuacuteng hoagraven toagraven ging nhau
Tuy enzyme của caacute đui điện khaacutec với enzyme trong cơ thể chuột vagrave người
nhưng cả 3 enzyme nagravey về cơ bản thuộc nhoacutem coacute tacircm xuacutec taacutec bộ ba Ser-Glu-
Histiđin Do tiacutenh chất đơ n giản trong cấu truacutec enzyme ở caacute đui điện vagrave caacutec tagravei liệu
thu thập được từ thực nghiệm trong luận văn nagravey bước đầu sẽ nghiecircn cứu hệ xuacutec
taacutec với enzyme ở caacute đui điện
b) Cấu truacutec thứ cấp (bậc 2) higravenh 11
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 863
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 963
6
Higravenh 1 2 Cấu truacutec khocircng gian của acetylcholinesterase khocircng coacute vagrave coacute cơ chất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1063
7
1112 Chức năng sinh học
Acetylcholinesterase nằm trong danh mục caacutec hydrolase (EC 3) thuộc nhoacutem
esterase ndash nhoacutem enzyme coacute chức năng xuacutec taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn este thagravenhaxit vagrave ancol trong phản ứng hoacutea học với nước Acetylcholinesterase coacute s hiệu EC
3117
Acetylcholinesterase coacute vai trograve quan trọng trong hoạt động thần kinh noacute xuacutec
taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine Chất nagravey
coacute nhiệm vụ mang tiacuten hiệu từ caacutec tế bagraveo thần kinh tới tế bagraveo cơ Khi một tế bagraveo thần
kinh vận động nhận được tiacuten hiệu từ trung khu thần kinh noacute sẽ tiết ra acetylcholine
đi vagraveo caacutec synap giữa tế bagraveo thần kinh vận động vagrave tế bagraveo cơ Tại đacircy acetylcholine
kiacutech hoạt caacutec thụ quan trong tế bagraveo cơ phaacutet động quaacute trigravenh co cơ Khi tiacuten hiệu đ
được truyền tải thigrave acetylcholine cần phải bị phaacute hủy nếu khocircng noacute sẽ tiếp tục taacutec
động đến caacutec thụ quan của tế bagraveo cơ vagrave tiacuten hiệu bị chồng lấn lecircn nhau
Acetylcholinesterase coacute mặt tại synap giữa tế bagraveo thần kinh vagrave tế bagraveo cơ đảm nhận
chức năng phaacute hủy acetylcholine ngay sau khi tiacuten hiệu được truyền đi Dưới taacutec
dụng của acetylcholinesterase acetylcholine sẽ bị thủy phacircn thagravenh axit axetic vagravecholine Sau đoacute choline sẽ được quay vograveng để chuyển lạ i thagravenh acetylcholine Như
vậy việc điều tiết acetylcholinesterase đảm bảo cho hoạt động thần kinh diễn ra
nhịp nhagraveng
112 Đặc điểm xuacutec taacutec
Do chức năng sinh học của acetylcholinesterase trong việc truyền xung thần
kinh magrave noacute cần phải coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao hệ s chu chuyển của noacute lagrave
103 ndash 104 s-1 tc độ gần với giới hạn khuếch taacuten [6] Như caacutec enzyme khaacutec
acetylcholinesterase coacute tiacutenh chọn lọc cao cơ chất của noacute lagrave acetylcholine noacute cũng
dễ bị ức chế bởi nhiều chất khaacutec nhau ngay cả khi nồng độ cơ chất acetylcholine
quaacute lớn noacute cũng bị ức chế Việc nghiecircn cứu chi tiết về enzyme nagravey khocircng chỉ nhằm
lagravem rotilde cơ chế taacutec động của noacute lecircn phản ứng magrave cograven coacute thể tigravem được caacutec chất ức chế
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1163
8
hoạt tiacutenh của noacute Chất ức chế sẽ coacute taacutec dụng ngăn chặn quaacute trigraven h thủy phacircn
acetylcholine lagravem tăng cường độ tiacuten hiệu của xung thần kinh
Để giải thiacutech tiacutenh chất chọn lọc của phản ứng xuacutec taacutec enzyme Fischer đềxuất mocirc higravenh chigravea khoacutea-ổ khoacutea theo đoacute cơ chất vagrave enzyme coacute higravenh dạng đặc thugrave
phugrave hợp với nhau Mocirc higravenh nagravey chỉ giải thiacutech tiacutenh chọn lọc của xuacutec taacutec enzyme trecircn
cơ sở sự tương hợp cứng nhắc về mặt higravenh học magrave khocircng giải thiacutech được hoạt tiacutenh
cao của enzyme Sau đoacute Daniel Koshland bổ sung cho mocirc higravenh nagravey cho rằng caacutec
enzyme do cấu truacutec mềm dẻo của noacute magrave tacircm hoạt động khi tương taacutec với cơ chất
cũng khocircng cứng nhắc magrave thay đổi cấu higravenh trong sut quaacute trigravenh tương taacutec Mocirc higravenh
nagravey cũng chưa lagravem rotilde được vai trograve của xuacutec taacutec enzyme Hoạt tiacutenh vagrave độ chọn lọc của enzyme phải được giải thiacutech bằng nhiều yếu t
Enzyme coacute thể giuacutep hạ thấp năng lượng hoạt hoacutea của phản ứng theo caacutec caacutech
sau
bull Lagravem biến dạng trạng thaacutei chuyển tiếp lagravem cho trạng thaacutei nagravey bền hơ n do đoacute
giảm năng lượng hoạt hoacutea
bull Hạ thấp năng lượng của trạng thaacutei chuyển tiếp bằng caacutech tạo ra mocirci trường
với sự phacircn b điện tiacutech ngược với trạng thaacutei chuyển tiếp
bull Tạo ra một đường phản ứng thay thế enzyme sẽ phản ứng trực tiếp với cơ
chất để higravenh thagravenh phức trung gian enzyme-cơ chất sau đoacute enzyme mới
được taacutei tạo lại
bull Giảm biến thiecircn entropy của phản ứng bằng caacutech đem caacutec cơ chất lại với
nhau theo hướng thiacutech hợp để phản ứng
bull Tăng nhiệt độ để tăng tc phản ứng Yếu t nagravey thường chỉ coacute đoacuteng goacutep rất
nhỏ vagraveo hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme
Trong một phản ứng xuacutec taacutec enzyme cụ thể coacute thể coacute một s hoặc tất cả caacutec yếu
t trecircn Đa s caacutec phản ứng xuacutec taacutec enzyme đều coacute vai trograve hoacutea học của một tacircm hoạt
động vagrave phần cograven lại của phacircn tử enzyme đoacuteng vai trograve mocirci trường tạo thuận lợi về
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 763
4
130 140 150 160 170 180
RELSEDCLYL NVWTPYPRPT SPTPVLVWIY GGGFYSGASS LDVYDGRFLV QAERTVLVSM
190 200 210 220 230 240
NYRVGAFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENVAA FGGDPTSVTL FGESAGAASV
250 260 270 280 290 300
GMHLLSPPSR GLFHRAVLQS GAPNGPWATV GMGEARRRAT QLAHLVGCPP GGTGGNDTEL
310 320 330 340 350 360
VACLRTRPAQ VLVNHEWHVL PQESVFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINAG DFHGLQVLVG
370 380 390 400 410 420
VVKDEGSYFL VYGAPGFSKD NESLISRAEF LAGVRVGVPQ VSDLAAEAVV LHYTDWLHPE
430 440 450 460 470 480
DPARLREALS DVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYV FEHRASTLSW PLWMGVPHGY
490 500 510 520 530 540 EIEFIFGIPL DPSRNYTAEE KIFAQRLMRY WANFARTGDP NEPRDPKAPQ WPPYTAGAQQ
550 560 570 580 590 600
YVSLDLRPLE VRRGLRAQAC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN
610
QFDHYSKQDR CSDL
Đi chiếu cấu truacutec bậc một của acetylcholinesterase ở chuột vagrave người ta thấy
chuacuteng hoagraven toagraven ging nhau
Tuy enzyme của caacute đui điện khaacutec với enzyme trong cơ thể chuột vagrave người
nhưng cả 3 enzyme nagravey về cơ bản thuộc nhoacutem coacute tacircm xuacutec taacutec bộ ba Ser-Glu-
Histiđin Do tiacutenh chất đơ n giản trong cấu truacutec enzyme ở caacute đui điện vagrave caacutec tagravei liệu
thu thập được từ thực nghiệm trong luận văn nagravey bước đầu sẽ nghiecircn cứu hệ xuacutec
taacutec với enzyme ở caacute đui điện
b) Cấu truacutec thứ cấp (bậc 2) higravenh 11
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 863
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 963
6
Higravenh 1 2 Cấu truacutec khocircng gian của acetylcholinesterase khocircng coacute vagrave coacute cơ chất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1063
7
1112 Chức năng sinh học
Acetylcholinesterase nằm trong danh mục caacutec hydrolase (EC 3) thuộc nhoacutem
esterase ndash nhoacutem enzyme coacute chức năng xuacutec taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn este thagravenhaxit vagrave ancol trong phản ứng hoacutea học với nước Acetylcholinesterase coacute s hiệu EC
3117
Acetylcholinesterase coacute vai trograve quan trọng trong hoạt động thần kinh noacute xuacutec
taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine Chất nagravey
coacute nhiệm vụ mang tiacuten hiệu từ caacutec tế bagraveo thần kinh tới tế bagraveo cơ Khi một tế bagraveo thần
kinh vận động nhận được tiacuten hiệu từ trung khu thần kinh noacute sẽ tiết ra acetylcholine
đi vagraveo caacutec synap giữa tế bagraveo thần kinh vận động vagrave tế bagraveo cơ Tại đacircy acetylcholine
kiacutech hoạt caacutec thụ quan trong tế bagraveo cơ phaacutet động quaacute trigravenh co cơ Khi tiacuten hiệu đ
được truyền tải thigrave acetylcholine cần phải bị phaacute hủy nếu khocircng noacute sẽ tiếp tục taacutec
động đến caacutec thụ quan của tế bagraveo cơ vagrave tiacuten hiệu bị chồng lấn lecircn nhau
Acetylcholinesterase coacute mặt tại synap giữa tế bagraveo thần kinh vagrave tế bagraveo cơ đảm nhận
chức năng phaacute hủy acetylcholine ngay sau khi tiacuten hiệu được truyền đi Dưới taacutec
dụng của acetylcholinesterase acetylcholine sẽ bị thủy phacircn thagravenh axit axetic vagravecholine Sau đoacute choline sẽ được quay vograveng để chuyển lạ i thagravenh acetylcholine Như
vậy việc điều tiết acetylcholinesterase đảm bảo cho hoạt động thần kinh diễn ra
nhịp nhagraveng
112 Đặc điểm xuacutec taacutec
Do chức năng sinh học của acetylcholinesterase trong việc truyền xung thần
kinh magrave noacute cần phải coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao hệ s chu chuyển của noacute lagrave
103 ndash 104 s-1 tc độ gần với giới hạn khuếch taacuten [6] Như caacutec enzyme khaacutec
acetylcholinesterase coacute tiacutenh chọn lọc cao cơ chất của noacute lagrave acetylcholine noacute cũng
dễ bị ức chế bởi nhiều chất khaacutec nhau ngay cả khi nồng độ cơ chất acetylcholine
quaacute lớn noacute cũng bị ức chế Việc nghiecircn cứu chi tiết về enzyme nagravey khocircng chỉ nhằm
lagravem rotilde cơ chế taacutec động của noacute lecircn phản ứng magrave cograven coacute thể tigravem được caacutec chất ức chế
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1163
8
hoạt tiacutenh của noacute Chất ức chế sẽ coacute taacutec dụng ngăn chặn quaacute trigraven h thủy phacircn
acetylcholine lagravem tăng cường độ tiacuten hiệu của xung thần kinh
Để giải thiacutech tiacutenh chất chọn lọc của phản ứng xuacutec taacutec enzyme Fischer đềxuất mocirc higravenh chigravea khoacutea-ổ khoacutea theo đoacute cơ chất vagrave enzyme coacute higravenh dạng đặc thugrave
phugrave hợp với nhau Mocirc higravenh nagravey chỉ giải thiacutech tiacutenh chọn lọc của xuacutec taacutec enzyme trecircn
cơ sở sự tương hợp cứng nhắc về mặt higravenh học magrave khocircng giải thiacutech được hoạt tiacutenh
cao của enzyme Sau đoacute Daniel Koshland bổ sung cho mocirc higravenh nagravey cho rằng caacutec
enzyme do cấu truacutec mềm dẻo của noacute magrave tacircm hoạt động khi tương taacutec với cơ chất
cũng khocircng cứng nhắc magrave thay đổi cấu higravenh trong sut quaacute trigravenh tương taacutec Mocirc higravenh
nagravey cũng chưa lagravem rotilde được vai trograve của xuacutec taacutec enzyme Hoạt tiacutenh vagrave độ chọn lọc của enzyme phải được giải thiacutech bằng nhiều yếu t
Enzyme coacute thể giuacutep hạ thấp năng lượng hoạt hoacutea của phản ứng theo caacutec caacutech
sau
bull Lagravem biến dạng trạng thaacutei chuyển tiếp lagravem cho trạng thaacutei nagravey bền hơ n do đoacute
giảm năng lượng hoạt hoacutea
bull Hạ thấp năng lượng của trạng thaacutei chuyển tiếp bằng caacutech tạo ra mocirci trường
với sự phacircn b điện tiacutech ngược với trạng thaacutei chuyển tiếp
bull Tạo ra một đường phản ứng thay thế enzyme sẽ phản ứng trực tiếp với cơ
chất để higravenh thagravenh phức trung gian enzyme-cơ chất sau đoacute enzyme mới
được taacutei tạo lại
bull Giảm biến thiecircn entropy của phản ứng bằng caacutech đem caacutec cơ chất lại với
nhau theo hướng thiacutech hợp để phản ứng
bull Tăng nhiệt độ để tăng tc phản ứng Yếu t nagravey thường chỉ coacute đoacuteng goacutep rất
nhỏ vagraveo hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme
Trong một phản ứng xuacutec taacutec enzyme cụ thể coacute thể coacute một s hoặc tất cả caacutec yếu
t trecircn Đa s caacutec phản ứng xuacutec taacutec enzyme đều coacute vai trograve hoacutea học của một tacircm hoạt
động vagrave phần cograven lại của phacircn tử enzyme đoacuteng vai trograve mocirci trường tạo thuận lợi về
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 863
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 963
6
Higravenh 1 2 Cấu truacutec khocircng gian của acetylcholinesterase khocircng coacute vagrave coacute cơ chất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1063
7
1112 Chức năng sinh học
Acetylcholinesterase nằm trong danh mục caacutec hydrolase (EC 3) thuộc nhoacutem
esterase ndash nhoacutem enzyme coacute chức năng xuacutec taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn este thagravenhaxit vagrave ancol trong phản ứng hoacutea học với nước Acetylcholinesterase coacute s hiệu EC
3117
Acetylcholinesterase coacute vai trograve quan trọng trong hoạt động thần kinh noacute xuacutec
taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine Chất nagravey
coacute nhiệm vụ mang tiacuten hiệu từ caacutec tế bagraveo thần kinh tới tế bagraveo cơ Khi một tế bagraveo thần
kinh vận động nhận được tiacuten hiệu từ trung khu thần kinh noacute sẽ tiết ra acetylcholine
đi vagraveo caacutec synap giữa tế bagraveo thần kinh vận động vagrave tế bagraveo cơ Tại đacircy acetylcholine
kiacutech hoạt caacutec thụ quan trong tế bagraveo cơ phaacutet động quaacute trigravenh co cơ Khi tiacuten hiệu đ
được truyền tải thigrave acetylcholine cần phải bị phaacute hủy nếu khocircng noacute sẽ tiếp tục taacutec
động đến caacutec thụ quan của tế bagraveo cơ vagrave tiacuten hiệu bị chồng lấn lecircn nhau
Acetylcholinesterase coacute mặt tại synap giữa tế bagraveo thần kinh vagrave tế bagraveo cơ đảm nhận
chức năng phaacute hủy acetylcholine ngay sau khi tiacuten hiệu được truyền đi Dưới taacutec
dụng của acetylcholinesterase acetylcholine sẽ bị thủy phacircn thagravenh axit axetic vagravecholine Sau đoacute choline sẽ được quay vograveng để chuyển lạ i thagravenh acetylcholine Như
vậy việc điều tiết acetylcholinesterase đảm bảo cho hoạt động thần kinh diễn ra
nhịp nhagraveng
112 Đặc điểm xuacutec taacutec
Do chức năng sinh học của acetylcholinesterase trong việc truyền xung thần
kinh magrave noacute cần phải coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao hệ s chu chuyển của noacute lagrave
103 ndash 104 s-1 tc độ gần với giới hạn khuếch taacuten [6] Như caacutec enzyme khaacutec
acetylcholinesterase coacute tiacutenh chọn lọc cao cơ chất của noacute lagrave acetylcholine noacute cũng
dễ bị ức chế bởi nhiều chất khaacutec nhau ngay cả khi nồng độ cơ chất acetylcholine
quaacute lớn noacute cũng bị ức chế Việc nghiecircn cứu chi tiết về enzyme nagravey khocircng chỉ nhằm
lagravem rotilde cơ chế taacutec động của noacute lecircn phản ứng magrave cograven coacute thể tigravem được caacutec chất ức chế
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1163
8
hoạt tiacutenh của noacute Chất ức chế sẽ coacute taacutec dụng ngăn chặn quaacute trigraven h thủy phacircn
acetylcholine lagravem tăng cường độ tiacuten hiệu của xung thần kinh
Để giải thiacutech tiacutenh chất chọn lọc của phản ứng xuacutec taacutec enzyme Fischer đềxuất mocirc higravenh chigravea khoacutea-ổ khoacutea theo đoacute cơ chất vagrave enzyme coacute higravenh dạng đặc thugrave
phugrave hợp với nhau Mocirc higravenh nagravey chỉ giải thiacutech tiacutenh chọn lọc của xuacutec taacutec enzyme trecircn
cơ sở sự tương hợp cứng nhắc về mặt higravenh học magrave khocircng giải thiacutech được hoạt tiacutenh
cao của enzyme Sau đoacute Daniel Koshland bổ sung cho mocirc higravenh nagravey cho rằng caacutec
enzyme do cấu truacutec mềm dẻo của noacute magrave tacircm hoạt động khi tương taacutec với cơ chất
cũng khocircng cứng nhắc magrave thay đổi cấu higravenh trong sut quaacute trigravenh tương taacutec Mocirc higravenh
nagravey cũng chưa lagravem rotilde được vai trograve của xuacutec taacutec enzyme Hoạt tiacutenh vagrave độ chọn lọc của enzyme phải được giải thiacutech bằng nhiều yếu t
Enzyme coacute thể giuacutep hạ thấp năng lượng hoạt hoacutea của phản ứng theo caacutec caacutech
sau
bull Lagravem biến dạng trạng thaacutei chuyển tiếp lagravem cho trạng thaacutei nagravey bền hơ n do đoacute
giảm năng lượng hoạt hoacutea
bull Hạ thấp năng lượng của trạng thaacutei chuyển tiếp bằng caacutech tạo ra mocirci trường
với sự phacircn b điện tiacutech ngược với trạng thaacutei chuyển tiếp
bull Tạo ra một đường phản ứng thay thế enzyme sẽ phản ứng trực tiếp với cơ
chất để higravenh thagravenh phức trung gian enzyme-cơ chất sau đoacute enzyme mới
được taacutei tạo lại
bull Giảm biến thiecircn entropy của phản ứng bằng caacutech đem caacutec cơ chất lại với
nhau theo hướng thiacutech hợp để phản ứng
bull Tăng nhiệt độ để tăng tc phản ứng Yếu t nagravey thường chỉ coacute đoacuteng goacutep rất
nhỏ vagraveo hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme
Trong một phản ứng xuacutec taacutec enzyme cụ thể coacute thể coacute một s hoặc tất cả caacutec yếu
t trecircn Đa s caacutec phản ứng xuacutec taacutec enzyme đều coacute vai trograve hoacutea học của một tacircm hoạt
động vagrave phần cograven lại của phacircn tử enzyme đoacuteng vai trograve mocirci trường tạo thuận lợi về
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 963
6
Higravenh 1 2 Cấu truacutec khocircng gian của acetylcholinesterase khocircng coacute vagrave coacute cơ chất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1063
7
1112 Chức năng sinh học
Acetylcholinesterase nằm trong danh mục caacutec hydrolase (EC 3) thuộc nhoacutem
esterase ndash nhoacutem enzyme coacute chức năng xuacutec taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn este thagravenhaxit vagrave ancol trong phản ứng hoacutea học với nước Acetylcholinesterase coacute s hiệu EC
3117
Acetylcholinesterase coacute vai trograve quan trọng trong hoạt động thần kinh noacute xuacutec
taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine Chất nagravey
coacute nhiệm vụ mang tiacuten hiệu từ caacutec tế bagraveo thần kinh tới tế bagraveo cơ Khi một tế bagraveo thần
kinh vận động nhận được tiacuten hiệu từ trung khu thần kinh noacute sẽ tiết ra acetylcholine
đi vagraveo caacutec synap giữa tế bagraveo thần kinh vận động vagrave tế bagraveo cơ Tại đacircy acetylcholine
kiacutech hoạt caacutec thụ quan trong tế bagraveo cơ phaacutet động quaacute trigravenh co cơ Khi tiacuten hiệu đ
được truyền tải thigrave acetylcholine cần phải bị phaacute hủy nếu khocircng noacute sẽ tiếp tục taacutec
động đến caacutec thụ quan của tế bagraveo cơ vagrave tiacuten hiệu bị chồng lấn lecircn nhau
Acetylcholinesterase coacute mặt tại synap giữa tế bagraveo thần kinh vagrave tế bagraveo cơ đảm nhận
chức năng phaacute hủy acetylcholine ngay sau khi tiacuten hiệu được truyền đi Dưới taacutec
dụng của acetylcholinesterase acetylcholine sẽ bị thủy phacircn thagravenh axit axetic vagravecholine Sau đoacute choline sẽ được quay vograveng để chuyển lạ i thagravenh acetylcholine Như
vậy việc điều tiết acetylcholinesterase đảm bảo cho hoạt động thần kinh diễn ra
nhịp nhagraveng
112 Đặc điểm xuacutec taacutec
Do chức năng sinh học của acetylcholinesterase trong việc truyền xung thần
kinh magrave noacute cần phải coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao hệ s chu chuyển của noacute lagrave
103 ndash 104 s-1 tc độ gần với giới hạn khuếch taacuten [6] Như caacutec enzyme khaacutec
acetylcholinesterase coacute tiacutenh chọn lọc cao cơ chất của noacute lagrave acetylcholine noacute cũng
dễ bị ức chế bởi nhiều chất khaacutec nhau ngay cả khi nồng độ cơ chất acetylcholine
quaacute lớn noacute cũng bị ức chế Việc nghiecircn cứu chi tiết về enzyme nagravey khocircng chỉ nhằm
lagravem rotilde cơ chế taacutec động của noacute lecircn phản ứng magrave cograven coacute thể tigravem được caacutec chất ức chế
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1163
8
hoạt tiacutenh của noacute Chất ức chế sẽ coacute taacutec dụng ngăn chặn quaacute trigraven h thủy phacircn
acetylcholine lagravem tăng cường độ tiacuten hiệu của xung thần kinh
Để giải thiacutech tiacutenh chất chọn lọc của phản ứng xuacutec taacutec enzyme Fischer đềxuất mocirc higravenh chigravea khoacutea-ổ khoacutea theo đoacute cơ chất vagrave enzyme coacute higravenh dạng đặc thugrave
phugrave hợp với nhau Mocirc higravenh nagravey chỉ giải thiacutech tiacutenh chọn lọc của xuacutec taacutec enzyme trecircn
cơ sở sự tương hợp cứng nhắc về mặt higravenh học magrave khocircng giải thiacutech được hoạt tiacutenh
cao của enzyme Sau đoacute Daniel Koshland bổ sung cho mocirc higravenh nagravey cho rằng caacutec
enzyme do cấu truacutec mềm dẻo của noacute magrave tacircm hoạt động khi tương taacutec với cơ chất
cũng khocircng cứng nhắc magrave thay đổi cấu higravenh trong sut quaacute trigravenh tương taacutec Mocirc higravenh
nagravey cũng chưa lagravem rotilde được vai trograve của xuacutec taacutec enzyme Hoạt tiacutenh vagrave độ chọn lọc của enzyme phải được giải thiacutech bằng nhiều yếu t
Enzyme coacute thể giuacutep hạ thấp năng lượng hoạt hoacutea của phản ứng theo caacutec caacutech
sau
bull Lagravem biến dạng trạng thaacutei chuyển tiếp lagravem cho trạng thaacutei nagravey bền hơ n do đoacute
giảm năng lượng hoạt hoacutea
bull Hạ thấp năng lượng của trạng thaacutei chuyển tiếp bằng caacutech tạo ra mocirci trường
với sự phacircn b điện tiacutech ngược với trạng thaacutei chuyển tiếp
bull Tạo ra một đường phản ứng thay thế enzyme sẽ phản ứng trực tiếp với cơ
chất để higravenh thagravenh phức trung gian enzyme-cơ chất sau đoacute enzyme mới
được taacutei tạo lại
bull Giảm biến thiecircn entropy của phản ứng bằng caacutech đem caacutec cơ chất lại với
nhau theo hướng thiacutech hợp để phản ứng
bull Tăng nhiệt độ để tăng tc phản ứng Yếu t nagravey thường chỉ coacute đoacuteng goacutep rất
nhỏ vagraveo hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme
Trong một phản ứng xuacutec taacutec enzyme cụ thể coacute thể coacute một s hoặc tất cả caacutec yếu
t trecircn Đa s caacutec phản ứng xuacutec taacutec enzyme đều coacute vai trograve hoacutea học của một tacircm hoạt
động vagrave phần cograven lại của phacircn tử enzyme đoacuteng vai trograve mocirci trường tạo thuận lợi về
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1063
7
1112 Chức năng sinh học
Acetylcholinesterase nằm trong danh mục caacutec hydrolase (EC 3) thuộc nhoacutem
esterase ndash nhoacutem enzyme coacute chức năng xuacutec taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn este thagravenhaxit vagrave ancol trong phản ứng hoacutea học với nước Acetylcholinesterase coacute s hiệu EC
3117
Acetylcholinesterase coacute vai trograve quan trọng trong hoạt động thần kinh noacute xuacutec
taacutec cho quaacute trigravenh thủy phacircn chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine Chất nagravey
coacute nhiệm vụ mang tiacuten hiệu từ caacutec tế bagraveo thần kinh tới tế bagraveo cơ Khi một tế bagraveo thần
kinh vận động nhận được tiacuten hiệu từ trung khu thần kinh noacute sẽ tiết ra acetylcholine
đi vagraveo caacutec synap giữa tế bagraveo thần kinh vận động vagrave tế bagraveo cơ Tại đacircy acetylcholine
kiacutech hoạt caacutec thụ quan trong tế bagraveo cơ phaacutet động quaacute trigravenh co cơ Khi tiacuten hiệu đ
được truyền tải thigrave acetylcholine cần phải bị phaacute hủy nếu khocircng noacute sẽ tiếp tục taacutec
động đến caacutec thụ quan của tế bagraveo cơ vagrave tiacuten hiệu bị chồng lấn lecircn nhau
Acetylcholinesterase coacute mặt tại synap giữa tế bagraveo thần kinh vagrave tế bagraveo cơ đảm nhận
chức năng phaacute hủy acetylcholine ngay sau khi tiacuten hiệu được truyền đi Dưới taacutec
dụng của acetylcholinesterase acetylcholine sẽ bị thủy phacircn thagravenh axit axetic vagravecholine Sau đoacute choline sẽ được quay vograveng để chuyển lạ i thagravenh acetylcholine Như
vậy việc điều tiết acetylcholinesterase đảm bảo cho hoạt động thần kinh diễn ra
nhịp nhagraveng
112 Đặc điểm xuacutec taacutec
Do chức năng sinh học của acetylcholinesterase trong việc truyền xung thần
kinh magrave noacute cần phải coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao hệ s chu chuyển của noacute lagrave
103 ndash 104 s-1 tc độ gần với giới hạn khuếch taacuten [6] Như caacutec enzyme khaacutec
acetylcholinesterase coacute tiacutenh chọn lọc cao cơ chất của noacute lagrave acetylcholine noacute cũng
dễ bị ức chế bởi nhiều chất khaacutec nhau ngay cả khi nồng độ cơ chất acetylcholine
quaacute lớn noacute cũng bị ức chế Việc nghiecircn cứu chi tiết về enzyme nagravey khocircng chỉ nhằm
lagravem rotilde cơ chế taacutec động của noacute lecircn phản ứng magrave cograven coacute thể tigravem được caacutec chất ức chế
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1163
8
hoạt tiacutenh của noacute Chất ức chế sẽ coacute taacutec dụng ngăn chặn quaacute trigraven h thủy phacircn
acetylcholine lagravem tăng cường độ tiacuten hiệu của xung thần kinh
Để giải thiacutech tiacutenh chất chọn lọc của phản ứng xuacutec taacutec enzyme Fischer đềxuất mocirc higravenh chigravea khoacutea-ổ khoacutea theo đoacute cơ chất vagrave enzyme coacute higravenh dạng đặc thugrave
phugrave hợp với nhau Mocirc higravenh nagravey chỉ giải thiacutech tiacutenh chọn lọc của xuacutec taacutec enzyme trecircn
cơ sở sự tương hợp cứng nhắc về mặt higravenh học magrave khocircng giải thiacutech được hoạt tiacutenh
cao của enzyme Sau đoacute Daniel Koshland bổ sung cho mocirc higravenh nagravey cho rằng caacutec
enzyme do cấu truacutec mềm dẻo của noacute magrave tacircm hoạt động khi tương taacutec với cơ chất
cũng khocircng cứng nhắc magrave thay đổi cấu higravenh trong sut quaacute trigravenh tương taacutec Mocirc higravenh
nagravey cũng chưa lagravem rotilde được vai trograve của xuacutec taacutec enzyme Hoạt tiacutenh vagrave độ chọn lọc của enzyme phải được giải thiacutech bằng nhiều yếu t
Enzyme coacute thể giuacutep hạ thấp năng lượng hoạt hoacutea của phản ứng theo caacutec caacutech
sau
bull Lagravem biến dạng trạng thaacutei chuyển tiếp lagravem cho trạng thaacutei nagravey bền hơ n do đoacute
giảm năng lượng hoạt hoacutea
bull Hạ thấp năng lượng của trạng thaacutei chuyển tiếp bằng caacutech tạo ra mocirci trường
với sự phacircn b điện tiacutech ngược với trạng thaacutei chuyển tiếp
bull Tạo ra một đường phản ứng thay thế enzyme sẽ phản ứng trực tiếp với cơ
chất để higravenh thagravenh phức trung gian enzyme-cơ chất sau đoacute enzyme mới
được taacutei tạo lại
bull Giảm biến thiecircn entropy của phản ứng bằng caacutech đem caacutec cơ chất lại với
nhau theo hướng thiacutech hợp để phản ứng
bull Tăng nhiệt độ để tăng tc phản ứng Yếu t nagravey thường chỉ coacute đoacuteng goacutep rất
nhỏ vagraveo hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme
Trong một phản ứng xuacutec taacutec enzyme cụ thể coacute thể coacute một s hoặc tất cả caacutec yếu
t trecircn Đa s caacutec phản ứng xuacutec taacutec enzyme đều coacute vai trograve hoacutea học của một tacircm hoạt
động vagrave phần cograven lại của phacircn tử enzyme đoacuteng vai trograve mocirci trường tạo thuận lợi về
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1163
8
hoạt tiacutenh của noacute Chất ức chế sẽ coacute taacutec dụng ngăn chặn quaacute trigraven h thủy phacircn
acetylcholine lagravem tăng cường độ tiacuten hiệu của xung thần kinh
Để giải thiacutech tiacutenh chất chọn lọc của phản ứng xuacutec taacutec enzyme Fischer đềxuất mocirc higravenh chigravea khoacutea-ổ khoacutea theo đoacute cơ chất vagrave enzyme coacute higravenh dạng đặc thugrave
phugrave hợp với nhau Mocirc higravenh nagravey chỉ giải thiacutech tiacutenh chọn lọc của xuacutec taacutec enzyme trecircn
cơ sở sự tương hợp cứng nhắc về mặt higravenh học magrave khocircng giải thiacutech được hoạt tiacutenh
cao của enzyme Sau đoacute Daniel Koshland bổ sung cho mocirc higravenh nagravey cho rằng caacutec
enzyme do cấu truacutec mềm dẻo của noacute magrave tacircm hoạt động khi tương taacutec với cơ chất
cũng khocircng cứng nhắc magrave thay đổi cấu higravenh trong sut quaacute trigravenh tương taacutec Mocirc higravenh
nagravey cũng chưa lagravem rotilde được vai trograve của xuacutec taacutec enzyme Hoạt tiacutenh vagrave độ chọn lọc của enzyme phải được giải thiacutech bằng nhiều yếu t
Enzyme coacute thể giuacutep hạ thấp năng lượng hoạt hoacutea của phản ứng theo caacutec caacutech
sau
bull Lagravem biến dạng trạng thaacutei chuyển tiếp lagravem cho trạng thaacutei nagravey bền hơ n do đoacute
giảm năng lượng hoạt hoacutea
bull Hạ thấp năng lượng của trạng thaacutei chuyển tiếp bằng caacutech tạo ra mocirci trường
với sự phacircn b điện tiacutech ngược với trạng thaacutei chuyển tiếp
bull Tạo ra một đường phản ứng thay thế enzyme sẽ phản ứng trực tiếp với cơ
chất để higravenh thagravenh phức trung gian enzyme-cơ chất sau đoacute enzyme mới
được taacutei tạo lại
bull Giảm biến thiecircn entropy của phản ứng bằng caacutech đem caacutec cơ chất lại với
nhau theo hướng thiacutech hợp để phản ứng
bull Tăng nhiệt độ để tăng tc phản ứng Yếu t nagravey thường chỉ coacute đoacuteng goacutep rất
nhỏ vagraveo hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme
Trong một phản ứng xuacutec taacutec enzyme cụ thể coacute thể coacute một s hoặc tất cả caacutec yếu
t trecircn Đa s caacutec phản ứng xuacutec taacutec enzyme đều coacute vai trograve hoacutea học của một tacircm hoạt
động vagrave phần cograven lại của phacircn tử enzyme đoacuteng vai trograve mocirci trường tạo thuận lợi về
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1263
9
mặt khocircng gian vagrave tươ ng taacutec t ĩnh điện Khi nghiecircn cứu cơ chế phản ứng xuacutec taacutec
enzyme bằng caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten cần lagravem rotilde được cả 2 hướng taacutec động nagravey
Riecircng đi với acetylcholinesterase kết quả thực nghiệm đatilde xaacutec nhận sự tạo phức giữa enzyme vagrave cơ chất Tacircm hoạt động lagrave nhoacutem bộ ba Ser(200)-His(440)-
Glu(327) Phản ứng xảy ra tại một hc sacircu becircn trong phacircn tử acetylcholinesterase
Phacircn tử cơ chất trước tiecircn phản ứng với tacircm xuacutec taacutec (nhoacutem OH trecircn Ser(200)) để
taacutech ra choline sau đoacute tacircm xuacutec taacutec đatilde bị axetyl hoacutea sẽ taacutei tạo lại bằng caacutech phản ứng
với phacircn tử nước
(Lư u yacute ở đacirc y đaacutenh số aminoaxit khocircng tiacutenh đến đ oạn peptit tiacuten hiệu necircn lệch so
với số hiệu trong cấu truacutec bậc một đư a ở trecircn 21 đơ n vị)
12 Phương phaacutep nghiecircn cứu
121 Protein docking
Protein docking lagrave k ĩ thuật mocirc higravenh hoacutea nhằm dự đoaacuten vị triacute vagrave cấu higravenh thuận
lợi magrave phacircn tử cơ chất coacute thể gắn kết trecircn phacircn tử protein Docking coacute vai trograve quan
trọng trong việc dự đoaacuten aacutei lực vagrave hoạt tiacutenh của caacutec dược chất đi với protein từ đoacute
dự đoaacuten khả năng hoạt hoacutea hoặc ức chế một protein chức năng Becircn cạnh đoacute
docking cũng giuacutep dự đoaacuten tacircm hoạt động vagrave vị triacute cấu higravenh thuận lợi của cơ chất
tham gia phản ứng khi xem xeacutet cơ chế xuacutec taacutec của enzyme (cũng lagrave một loại protein
chức năng)
Higravenh 1 3 Đơn vị aminoaxit Ser(200) với nhoacutem OH tham gia phản ứng hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1363
10
Docking trở thagravenh bagravei toaacuten ti ưu tigravem vị triacute vagrave cấu higravenh phugrave hợp nhất của một cơ
chất gắn kết lecircn protein Về mặt nhiệt động lực học mục tiecircu của docking lagrave tigravem ra
cấu higravenh magrave năng lượng tự do của toagraven hệ lagrave thấp nhất Để tigravem cấu higravenh phugrave hợp
nhất cần phải liecircn hệ khocircng gian cấu higravenh với caacutec giaacute trị s đaacutenh giaacute được khả năng
gắn kết của cơ chất lecircn protein rồi mới aacutep dụng được caacutec thuật toaacuten tigravem kiếm
Higravenh 1 4 Aacutenh xạ từ khocircng gian cấu higravenh lecircn tập số thực
Khi đoacute việc tigravem kiếm cấu higravenh ti ưu tươ ng ứng với việc tigravem cực đại hoặc
cực tiểu trong tập ci
Khi cơ chất gắn kết lecircn một phacircn tử protein hai điểm cần chuacute yacute lagrave sự phugravehợp về higravenh dạng kiacutech thước vagrave năng lượng tương taacutec giữa cơ chất với protein
Sự phugrave hợp về higravenh dạng tương tự như cơ chế chigravea khoacutea-ổ khoacutea nhưng trong
thực tế cả cơ chất vagrave protein đều coacute thể thay đổi cấu higravenh đặc biệt protein lagrave phacircn
tử lớn vagrave coacute cấu truacutec mềm dẻo Quaacute trigravenh trong thực tế phức tạp hơn Ngoagravei yecircu cầu
phugrave hợp về higravenh dạng kiacutech thước giữa cơ chất vagrave enzyme cograven những tương taacutec
khaacutec như tương taacutec Van der Waals tương taacutec tĩnh điện trong nhiều trường hợ p cograven
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1463
11
coacute tương taacutec hoacutea học Nhưng do protein thường coacute kiacutech thước lớ n vagrave mềm dẻo rất
khoacute khảo saacutet hết tất cả caacutec khả năng coacute thể necircn trong docking phacircn tử protein
thường đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng cơ chất coacute thể chuyển động tươ ng đi so
với protein vagrave thay đổi cấu higravenh Một s phần mềm docking cũng cho pheacutep thay đổi
cấu higravenh trecircn một s đơ n vị aminoaxit
Hagravem thiacutech nghi
Như trecircn đatilde noacutei ta cần s hoacutea độ tt của caacutec cấu higravenh trong khocircng gian khảo
saacutet Trong autodock vagrave autodock vina khocircng gian khảo saacutet được xaacutec định bởi người
dugraveng lagrave một hộp bao gồm một phần hoặc toagraven bộ phacircn tử protein Gọi hagravem xaacutec lập
giữa khocircng gian cấu higravenh với một tập s thực lagrave hagravem thiacutech nghi Hagravem thiacutech nghi
phải đaacutenh giaacute được tương taacutec giữa cơ chất vagrave protein Hầu hết caacutec phần mềm đaacutenh
giaacute độ thiacutech nghi liecircn hệ trực tiếp với năng lượng của cấu higravenh dựa vagraveo caacutec phương
phaacutep trường lực cơ học phacircn tử cấu higravenh coacute năng lượng thấp thigrave hệ bền vagrave coacute khả
năng gắn kết cao Ngoagravei ra cograven coacute thể dugraveng caacutec phương phaacutep ldquohọc maacuteyrdquo để xacircy
dựng hagravem thiacutech nghi với dữ liệu học lagrave dữ liệu thực nghiệm
AutoDock độ thiacutech nghi được đaacutenh giaacute qua năng lượng tự do
( ) ( ) ( )conf
LP
ub
LP
b
PP
ub
PP
b
L L
ub
L L
b S V V V V V V G ∆+minus+minus+minus=∆ minusminusminusminusminusminus
(11)
Trong đoacute L chỉ cơ chất P chỉ protein b chỉ trạng thaacutei gắn kết ub cho trạng
thaacutei khocircng gắn kết Caacutec giaacute trị thế năng được tiacutenh theo trường lực cơ học phacircn tử
AutoDock Vina hagravem cho giaacute trị độ thiacutech nghi coacute dạng
)sumlt= ji
ijt t r f c ji (12)
Trong đoacute caacutec nguyecircn tử i j lần lượt được quy dạng it jt Tổng trecircn được lấy
với tất cả caacutec cặp nguyecircn tử coacute thể chuyển động tương đi với nhau trừ caacutec tương
taacutec 1-4 Giaacute trị nagravey bao gồm cả phần tương taacutec giữa caacutec phacircn tử vagrave phần tương taacutec
trong cugraveng phacircn tử
Thuật toaacuten tigravem kiếm
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1563
12
Do khocircng coacute một mi liecircn hệ đơn giản giữa vị triacute vagrave cấu higravenh của cơ chất với
khả năng gắn kết khocircng gian tigravem kiếm coacute thể coacute rất nhiều cực trị địa phương Vigrave
vậy cần phải coacute thuật toaacuten ti ưu toagraven cục thiacutech hợp
Đi với AutoDock ở đacircy chỉ dugraveng thuật toaacuten di truyền kết hợp với ti ưu cục
bộ
Caacutech thức thực hiện thuật toaacuten di truyền trong AutoDock
bull M ỗi lời giải (t ức một cấu d ạng ) được coi như một caacute thể trong một
quần thể vagrave được biể u diễn như cấu truacutec của một nhiễm sắc thể M ỗi
nhiễm sắc thể coacute caacutec thagravenh phần biểu diễn vị triacute định hướng vagrave caacutecgoacutec xoắn
bull T ừ một quần thể ban đầu mỗi caacute thể sẽ được đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
thocircng qua năng lượng những caacute thể coacute độ thiacutech nghi cao (t ức năng
lượng gắn k ết acircm hơ n) sẽ coacute cơ hội được chọn nhiều hơ n để tiến hagravenh
lai gheacutep t ạo ra caacute thể mới M ột số caacute thể coacute độ thiacutech nghi đặc biệt cao
sẽ được sao cheacutep toagraven bộ vagraveo thế hệ sau
bull M ột số caacute thể mới được t ạo ra sẽ bị đột biến t ại một hoặc một số đ iể m
trecircn nhiễm sắc thể với t ỉ lệ đột biến xaacutec định tr ước
bull Caacutec caacute thể trong thế hệ mới lại được đ aacutenh giaacute độ thiacutech nghi qua quaacute
trigravenh lai gheacutep đột biến để t ạo quần thể mới Quy trigravenh nagravey được lặp
đ i lặp lại cho đến khi độ thiacutech nghi trong quần thể ổn định qua caacutec
thế hệ hoặc khi gặp một trong caacutec đ iều kiện giới hạn về khối lượng
tiacutenh toaacuten
Khi kết hợp với ti ưu cục bộ thigrave mỗi caacute thể mới tạo thagravenh do lai gheacutep hay
đột biến đều được ti ưu lại trước khi đaacutenh giaacute độ thiacutech nghi
AutoDock Vina kết hợp ti ưu cục bộ với phương phaacutep Monte-Carlo
Khaacutec với AutoDock thuật toaacuten t ối ư u cục bộ trong AutoDock Vina lagrave thuật
toaacuten d ựa vagraveo gradient lực cograven trong AutoDock t ối ư u cục bộ theo thuật toaacuten ngẫu
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1663
13
nhiecircn M ỗi cấu higravenh trong AutoDock Vina cũng được biể u diễn như một nhiễm sắc
thể với thocircng tin về vị triacute định hướng của cơ chất vagrave caacutec goacutec xoắn M ột số caacute thể
cũng bị đột biến để t ạo quần thể mới như ng khocircng coacute sự lai gheacutep M ỗi thế hệ tiến
t ới thế hệ tiếp theo với độ thiacutech nghi noacutei chung cao hơ n nhờ caacutec bước tigravem kiếm
ngẫu nhiecircn để tigravem t ới cấu higravenh t ốt hơ n
Điểm chung của cả hai thuật toaacuten lagrave tigravem kiếm ngẫu nhiecircn đi từ một tập caacutec
lời giải ban đầu vagrave phaacutet sinh ra những lời giải ngagravey cagraveng tt hơn
122 Phương phaacutep phiếm hagravem mật độ
Cơ sở của phương phaacutep nagravey lagrave dựa vagraveo định đề Hohenberg-Kohn khẳng định
tồn tại tương ứng một - một giữa mật độ electron vagrave năng lượng của hệ Đi với một
hệ coacute N electron hagravem soacuteng chứa tới 3N tọa độ trong khi đoacute mật độ electron của hệ
lagrave một hagravem chỉ phụ thuộc vagraveo 3 tọa độ độc lập với s electron trong hệ Để sử dụng
phương phaacutep phiếm hagravem mật độ cần phải thiết lập mi liecircn hệ giữa năng lượng vagrave
mật độ electron E[ρ] Mật độ electron của hệ lagrave một hagravem necircn mi quan hệ nagravey được
biểu diễn dưới dạng một phiếm hagravem
1221Caacutec định đề Hohenberg-Kohn
Định đề Hohenberg-Kohn thứ nhất (chứng minh sự tồn tại mi liecircn hệ một-một
giữa mật độ electron vagrave thế ngoagravei)
ldquothế ngoagravei ( )r V ext
(trong giới hạn một hằng s) lagrave một phiếm hagravem đơn nhất
của ( )r
ρ vigrave ( )r V ext
lại xaacutec định H ˆ necircn ta thấy rằng trạng thaacutei cơ bản đầy đủ của hệ
nhiều hạt lagrave một phiếm hagravem đơn nhất của ( )r
ρ rdquo [7]
Giả sử coacute hai thế ngoagravei ext V vagrave
ext V khaacutec nhau hơn một hằng s cugraveng cho ra
một mật độ electron ( )r
ρ tương ứng với trạng thaacutei cơ bản khocircng suy biến của N
hạt
H ˆ =T + eeV + ext V (13)
ˆ H =T +eeV +
ext V (14)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1763
14
Hai toaacuten tử Hamilton trecircn xaacutec định hai hagravem soacuteng trạng thaacutei cơ bản khaacutec nhau
ψ vagrave ψ tươ ng ứng với caacutec giaacute trị năng lượng trạng thaacutei cơ bản lần lượt lagrave 0 E vagrave
0
E
( 0 E ne
0 E
) Như vậy hai hagravem soacutengψ
vagraveψ
cho ra cugraveng một mật độ electron( )r
ρ
Ta coacute thể dugraveng ψ như một hagravem thử cho toaacuten tử Hamilton H ˆ vagrave theo nguyecircn
lyacute biến phacircn ta coacute
0 E lt ˆ ψ ψ H = ˆ ψ ψ H + ˆˆ ψ ψ H H minus (15)
hay0
E lt 0 E + ˆˆ
ψ ψ ext ext
V V minus (16)
tức lagrave0
E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (17)
Hoaacuten đổi vai trograve giữa (ψ 0 E H ˆ ) vagrave ( ψ 0 E ˆ H ) vagrave tiến hagravenh caacutec bước
như trecircn ta được
0 E lt 0 E + ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ = 0 E - ( )( )int minus r d V V r ext ext
ρ (18)
Cộng hai phương trigravenh trecircn đưa đến biểu thức
0 E +
0 E lt
0 E + 0 E (19)
Điều nagravey vocirc liacute Vậy khocircng thể coacute hai thế ngoagravei khaacutec nhau cugraveng tươ ng ứng
với một mật độ electron ở trạng thaacutei cơ bản hay noacutei caacutech khaacutec mật độ electron ở
trạng thaacutei cơ bản ( )r
ρ xaacutec định duy nhất một thế ngoagraveiext V
Vigrave năng lượng trạng thaacutei cơ bản lagrave một phiếm hagravem của mật độ electron trạng
thaacutei cơ bản necircn caacutec thagravenh phần của noacute cũng vậy vagrave ta coacute thể viết
[ ]00 ρ E = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E + [ ]0 ρ Ne E (110)
Ta coacute thể phacircn taacutech phần năng lượng do tương taacutec hạt nhacircn -electron (coacute
dạng phụ thuộc vagraveo hệ cụ thể) vagrave phần cograven lại coacute dạng chung độc lập với N vị triacute vagrave
điện tiacutech hạt nhacircn
[ ]00 ρ E = ( ) dr V r Neint 0 ρ + [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (111)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1863
15
Định nghĩa phiếm hagravem Hohenberg-Kohn
[ ]0 ρ HK F = [ ]0 ρ T + [ ]0 ρ ee E (112)
ta viết lại
[ ]00 ρ E = ( ) r d V r Ne
int 0 ρ + [ ]0 ρ HK F (113)
Nếu biết chiacutenh xaacutec phiếm hagravem [ ]0 ρ HK F chuacuteng ta coacute thể coacute lời giải chiacutenh xaacutec
cho phươ ng trigravenh Schrodinger Vigrave phiếm hagravem nagravey coacute một dạng chung độc lập với
kiacutech thước hệ necircn rất thuận tiện khi aacutep dụng cho caacutec hệ lớn Nhưng chuacuteng ta vẫn
chưa biết được dạng chiacutenh xaacutec của cả [ ]0 ρ T vagrave [ ]0 ρ ee E
[ ] ρ ee E = [ ] ρ J + [ ] ρ K =
2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + [ ] ρ K (114)
Việc tigravem dạng của caacutec phiếm hagravem [ ] ρ T vagrave [ ] ρ K lagrave thaacutech thức lớn trong lyacute
thuyết phiếm hagravem mật độ
Định đề Hohenberg-Kohn thứ hai nguyecircn lyacute biến phacircnChuacuteng ta đatilde khẳng định rằng mật độ trạng thaacutei cơ bản về nguyecircn tắc lagrave đủ để
xaacutec định đầy đủ tiacutenh chất của hệ Nhưng lagravem thế nagraveo để chắc chắn rằng một mật độ
nagraveo đoacute thực sự lagrave mật độ ở trạng thaacutei cơ bản
Định đề hai thực chất coacute dạng của nguyecircn lyacute biến phacircn
0 E le [ ] ρ ~ E = [ ] ρ ~T + [ ] ρ ~
Ne E + [ ] ρ ~ee E (115)
Coacute thể phaacutet biểu như sau với bất kigrave một hagravem thử ( )r
ρ ~ nagraveo thỏa matilden caacutec điều kiện
biecircn như ( )r
ρ ~ ge0 ( )int r d r
ρ ~ =N tươ ng ứng với một thế ngoagraveiext
V ~
nagraveo đoacute thigrave năng
lượng nhận được cũng khocircng thể nhỏ hơ n năng lượng trạng thaacutei cơ bản 0
E Dấu
bằng chỉ nhận được nếu vagrave chỉ nếu mật độ trong cocircng thức đuacuteng lagrave mật độ trạng thaacutei
cơ bản
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1963
16
1222 Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Hai định đề trecircn lagrave cơ sở của phươ ng phaacutep phiếm hagravem mật độ nhưng chưa
chỉ ra được caacutech aacutep dụng vagraveo hệ cụ thể vigrave chưa đưa ra được một dạng phiếm hagravemphugrave hợp liecircn hệ giữa năng lượng vagrave mật độ electron Năm 1965 Kohn vagrave Sham đatilde
đề xuất một caacutech thức để xaacutec lập phiếm hagravem đatilde noacutei ở trecircn trước hết lagrave để tiacutenh động
năng với độ chiacutenh xaacutec tươ ng đi Để xaacutec định phần động năng nagravey Kohn Sham
đưa vagraveo khaacutei niệm hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec được xacircy dựng từ một tập hợp caacutec
orbital lagrave caacutec hagravem một electron Phần sai s cugraveng với tươ ng taacutec giữa caacutec electron
[ ] ρ K khaacute nhỏ sẽ được xaacutec định bằng một phiếm hagravem xấp xỉ
Orbital vagrave hệ quy chiếu khocircng tươ ng taacutec
Với mocirc higravenh hệ khiacute đồng nhất khocircng tươ ng taacutec Thomas Fermi đatilde xacircy dựng
trực tiếp caacutec phiếm hagravem động năng vagrave tươ ng taacutec electron-electron nhưng kết quả aacutep
dụng lại khocircng phugrave hợp với thực tế khocircng mocirc tả được liecircn kết hoacutea học Kohn vagrave
Sham đatilde tigravem một caacutech tiếp cận khaacutec đoacute lagrave dựa vagraveo caacutec hagravem soacuteng vagrave liecircn hệ với
caacutech thức tiếp cận của Hatree-Fock
Giả sử một hệ electron khocircng tươ ng taacutec ta coacute thể viết toaacuten tử Hamilton ở
dạng
S H ˆ =2
1minus sumnabla
N
i
i
2 + ( )sum N
i
iS r V
(116)
Vagrave liecircn hệ với phươ ng phaacutep Hartree-Fock thigrave định thức Slater lagrave hagravem soacuteng
chiacutenh xaacutec Đi với hệ tươ ng taacutec thigrave thế S V lagrave thế hiệu dụng địa phươ ng tươ ng tự như
thế hiệu dụng trong phươ ng trigravenh Hartree-Fock
Ta đưa vagraveo hagravem soacuteng dưới dạng định thức Slater
S Φ =
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) N N N
N
N
N
N
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
ϕ ϕ ϕ
222
111
1
21
21
21
(117)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2063
17
Caacutec orbitaliϕ thỏa matilden phươ ng trigravenh
iii
KS
f ϕ ε ϕ =ˆ (118)
với KS f lagrave toaacuten tử Kohn-Sham một electron
KS f =2
1minus 2nabla +
S V (119)
Để aacutep dụng cho hệ thực lagrave hệ tươ ng taacutec ta phải tigravem được thế hiệu dụng thiacutech
hợp thỏa matilden điều kiện tổng caacutec bigravenh phươ ng modun hagravem soacuteng phải bằng mật độ trạng thaacutei cơ bản của hệ tươ ng taacutec
Phươ ng trigravenh Kohn-Sham
Kohn-Sham đề nghị dugraveng biểu thức dưới đacircy để nhận được động năng chiacutenh
xaacutec của hệ khocircng tươ ng taacutec coacute cugraveng mật độ như hệ thực coacute tươ ng taacutec
S T =
2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 (120)
Tất nhiecircn động năng của hệ khocircng tươ ng taacutec khocircng thể bằng động năng của
hệ thực coacute tươ ng taacutec dugrave chuacuteng coacute chung một mật độ Bao gồm phần sai khaacutec nagravey
Kohn-Sham đưa vagraveo s hạng năng lượng tươ ng quan-trao đổi xc E
( )[ ]r F
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ (121)
ngh ĩa lagrave
( )[ ]r E xc
ρ =( ( )[ ]r T
ρ - ( )[ ]r T S
ρ )+( ( )[ ]r E ee
ρ - ( )[ ]r J
ρ )= ( )[ ]r T er
ρ + ( )[ ]r K
ρ (122)
Từ biểu thức trecircn ta thấy s hạng năng lượng tươ ng quan trao đổi trong
phươ ng phaacutep Kohn-Sham khocircng đồng nhất với phần tươ ng quan-trao đổi trong
phươ ng phaacutep Hartree-Fock magrave noacute cograven bao gồm cả một phần động năng khocircng được
xaacutec định chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2163
18
Vấn đề đặt ra lagrave lagravem thế nagraveo để xaacutec định duy nhất caacutec orbitaliϕ trong hệ
khocircng tươ ng taacutec hay noacutei caacutech khaacutec lagrave lagravem thế nagraveo để định ngh ĩa được S V để coacute thể
nhận được định thức Slater tươ ng ứng với mật độ điện tiacutech đuacuteng như hệ thựcTa viết lại biểu thức năng lượng coacute sự phụ vagraveo orbital
( )[ ]r E
ρ = ( )[ ]r T S
ρ + ( )[ ]r J
ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( )[ ]r E Ne
ρ
= ( )[ ]r T S
ρ +2
1 ( ) ( )intint 21
12
r d r d r
r r
ρ ρ + ( )[ ]r E xc
ρ + ( ) r d V r Ne
int 0 ρ
=2
1minus sum nabla
N
i
ii ϕ ϕ 2 +2
1( ) ( )sumsumintint
N
i
N
j
ji r d r d r r
r 21
2
212
2
1
1
ϕ ϕ + ( )[ ]r E xc
ρ -
( )sumintsum
N
i
M
A
i
A
A
r d r r
Z 2
ϕ (123)
Trong biểu thức trecircn s hạng duy nhất khocircng coacute dạng phụ thuộc rotilde ragraveng lagrave
xc E
Tiếp theo aacutep dụng nguyecircn lyacute biến phacircn với điều kiện ragraveng buộc
ji ϕ ϕ =ijδ (124)
dẫn đến phươ ng trigravenh
( )( ) i
M
A A
A
xcr
Z r V r d
r
r ϕ
ρ
minus++nablaminus int sum12
12
22
2
1
= ( ) ieff r V ϕ
+nablaminus2
2
1=
iε iϕ (125)
Xem xeacutet caacutec thagravenh phần trong thế hiệu dụng Kohn-Sham
( )r V S
= ( )r V eff
=( )
int 2
12
2 r d
r
r
ρ + ( )r V xc
-sum M
A A
A
r
Z (126)
xcV =δρ
δ xc E (127)
Vigrave chuacuteng ta chưa biết dạng phụ thuộc của xc
E necircn cũng chưa biết được dạng
của xcV Nếu biết dạng chiacutenh xaacutec
xc E ( xcV ) phươ ng trigravenh Kohn-Sham sẽ cho ra trị
riecircng chiacutenh xaacutec nhưng cho đến nay phiếm hagravem nagravey mới chỉ được đưa ra một caacutech
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2263
19
gần đuacuteng Vagrave sự phaacutet triển của lyacute thuyết phiếm hagravem mật độ tập trung vagraveo việc tigravem ra
dạng tt hơ n của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi
Khi đatilde coacute dạng của phiếm hagravem tươ ng quan-trao đổi thigrave việc giải phươngtrigravenh Kohn-Sham được thực hiện bằng caacutech giải lặp tươ ng tự như phươ ng trigravenh
Hartree-Fock
Phiếm hagravem tương quan-trao đổi phải được xaacutec định chung cho tất cả caacutec hệ
Nhiều dạng phiếm hagravem tương quan-trao đổi đ được đưa ra việc xacircy dựng caacutec dạng
gần đuacuteng nagravey dựa vagraveo so saacutenh với thực nghiệm hoặc trecircn cơ sở so saacutenh với một
phương phaacutep hagravem soacuteng mức cao Thocircng thường phiếm hagravem được taacutech thagravenh 2 phần
riecircng rẽ phần tương quan vagrave phần trao đổi
[ ] [ ] [ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]dr r r dr r r E E E c xc x xc intint +=+= ρ ε ρ ρ ε ρ ρ ρ ρ (128)
εx vagrave εc được đưa vagraveo biểu thức với yacute nghĩa lagrave mật độ năng lượng
Thế tương quan-trao đổi tương ứng được xaacutec định lagrave đạo hagravem của năng
lượng theo mật độ
( )[ ]
( )( )[ ] ( )
( ) ρ
ε ρ ρ ε
ρ
ρ
part
part+=
part
part=
r r r
r
E r V xc
xc
xc
xc
(129)
Tương quan giữa caacutec electron coacute spin song song khaacutec với tương quan giữa
caacutec electron coacute spin đi song năng lượng trao đổi theo định nghĩa chỉ liecircn quan đến
caacutec electron coacute cugraveng spin
[ ] [ ] [ ] β
β
α
α ρ ρ ρ x x xE E E += (130)
[ ] [ ] [ ] [ ] β α
αβ
β
ββ
α
αα ρ ρ ρ ρ ρ cccc E E E E ++= (131)
Mật độ tổng lagrave tổng của phần đoacuteng goacutep của caacutec electron α vagrave β ρ = ρα + ρβ
Tuy nhiecircn caacutec phiếm hagravem thường được viết theo độ phacircn cực hoacutea spin ζ vagrave baacuten
kiacutenh của thể tiacutech hiệu dụng chứa một electron r S
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2363
20
β α
β α
ρ ρ
ρ ρ ζ
+minus
=vagrave
3
4
3
πρ =S r
(132)
Coacute nhiều dạng phiếm hagravem tương quan -trao đổi đ được thiết lập một sdạng thường dugraveng trong hệ hoacutea học như BPW91 BLYP B3LYP B3PW91
1223 Phiếm hagravem B3LYP
Phiếm hagravem B3LYP lagrave dạng phiếm hagravem thường dugraveng trong khi nghiecircn cứu
caacutec hệ hoacutea học theo phươ ng phaacutep DFT Đacircy lagrave dạng kết hợp tuyến tiacutenh của phiếm
hagravem trao đổi Hartree-Fock vagrave caacutec phiếm hagravem tươ ng quan trao đổi dạng khaacutec Caacutec
tham s xaacutec định trọng s của mỗi phiếm hagravem thagravenh phần được xaacutec định bằng caacutechkhớp với thực nghiệm hay caacutec dữ kiện nhiệt hoacutea học được tiacutenh toaacuten một caacutech chiacutenh
xaacutec
( ) ( ) ( ) LDA
c
GGA
cc
LDA
x
GGA
x x
LDA
x
HF
x
LDA
xc
LYP B
xc E E a E E a E E a E E minus+minus+minus+=0
3 (133)
với 0a = 020 xa = 072
ca = 081 Caacutec tham s nagravey được xaacutec định bằng caacutech
khớp caacutec giaacute trị dự đoaacuten với một tập hợp caacutec giaacute trị năng lượng nguyecircn tử hoacutea thế
ion hoacutea aacutei lực proton caacutec giaacute trị năng lượng tổng của nguyecircn tử thể hiện trong caacutecnghiecircn cứu của Becke vagrave Lee-Yang-Parr [4 9]
123 Cơ học phacircn tử
Trong caacutec phương phaacutep trường lực năng lượng điện tử với một cấu higravenh hạt
nhacircn cho trước được tiacutenh bằng caacutech viết lại Ee dưới dạng một hagravem tham s của caacutec
tọa độ hạt nhacircn Caacutec tham s đưa vagraveo hagravem nagravey được lấy phugrave hợp với thực nghiệm
hay từ caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten mức cao hơn Phacircn tử được mocirc higravenh như hệ caacutecquả cầu vagrave lograve xo gồm caacutec nguyecircn tử được giữ với nhau bằng caacutec liecircn kết Caacutec
nguyecircn tử được xử liacute như trong cơ học cổ điển theo định luật II Newton
Năng lượng trường lực được phacircn taacutech thagravenh caacutec s hạng mocirc tả năng lượng
cần thiết để lagravem biến dạng phacircn tử theo những kiểu riecircng khaacutec nhau
crosselvdwtorsbend str FF E E E E E E E +++++= (134)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2463
21
Trong đoacute
Estr năng lượng cần để lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử
Ebond năng lượng cần để lagravem thay đổi goacutec liecircn kết
Etors năng lượng xoắn cần để quay quanh một liecircn kết
Evdw Eel năng lượng tương taacutec nguyecircn tử-nguyecircn tử khocircng liecircn kết
Ecross mocirc tả ảnh hưởng qua lại giữa ba s hạng đầu tiecircn
Để tigravem cấu higravenh bền của phacircn tử tương ứng với cực tiểu trecircn bề mặt thế
năng ta tiến hagravenh cực tiểu hoacutea EFF theo caacutec tọa độ hạt nhacircn
1231 Năng lượng thay đổi độ dagravei liecircn kết Estr
Ta khai triển năng lượng lagravem thay đổi độ dagravei liecircn kết giữa 2 nguyecircn tử A vagrave
B theo chuỗi Taylor đến bậc 2 (đacircy lagrave dạng đơn giản nhất)
( ) ( ) ( ) ( )202
2
002
10 R R
dR
E d R R
dR
dE E R R E
str minus+minus+=minus
(135)
R0 lagrave độ dagravei liecircn kết tự nhiecircn hay cacircn bằng giữa 2 nguyecircn tử A vagrave B điểm khocircngđược xaacutec định tại R 0 Khi khai triển gần giaacute trị cacircn bằng s hạng bậc nhất bằng
khocircng Estr coacute dạng đơn giản
( ) ( ) ( )22
00Rk R Rk R R E
str ∆=minus=minus (136)
với k lagrave hằng s lực của liecircn kết giữa A vagrave B Biểu thức coacute dạng mocirc tả dao động tử
điều hogravea vagrave với mỗi liecircn kết cần 2 tham s lagrave k vagrave R 0 Để chiacutenh xaacutec hơn cần thecirc m
caacutec s hạng bậc cao hơn vagraveo biểu thức khai triển Taylor
( ) ( ) ( ) ( ) 4
4
3
3
2
2+∆+∆+∆=∆ Rk Rk Rk R E str (137)
Khi đoacute s tham s cần đưa vagraveo cũng tăng lecircn Ngoagravei ra cograven coacute thể đưa vagraveo caacutec dạng
hagravem khaacutec để hiệu chỉnh
1232 Năng lượng lagravem thay đổi goacutec liecircn kết Ebend
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2563
22
Tương tự như Estr ta cũng coacute thể viết Ebend ở dạng khai triển Taylor
( )200 )( θ θ θ θ minus=minus k E bend (138)
θ0 lagrave goacutec liecircn kết tự nhiecircn giữa 3 nguyecircn tử A -B-C Cũng ging như E str đacircy lagrave
dạng đơn giản nhất của Ebend để chiacutenh xaacutec hơn coacute thể đưa thecircm vagraveo caacutec s hạng
khai triển bậc cao hơn vagrave hiệu chỉnh cho phugrave hợp với dữ kiện thực nghiệm hoặc caacutec
phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử mức cao
1233 Năng lượng xoắn Etors
Trong chuỗi 4 nguyecircn tử liecircn kết A-B-C-D xeacutet năng lượng lagravem quay quanh
liecircn kết B ndash C Để đảm bảo tiacutenh tuần hoagraven của pheacutep quay ta sử dụng khai triển
Fourier cho Etors
( ) ( )sum=
=1
cosn
ntors nV E ω ω
(139)
Phụ thuộc vagraveo tiacutenh đi xứng magrave một vagravei hằng s Vn coacute thể bằng 0 Đi với
hệ phacircn tử hữu cơ biểu thức thocircng dụng cho năng lượng xoắn được viết ở dạng
( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]ω ω ω ω 3cos12cos1cos1 321
221
121 ++minus++= V V V E tors (140)
1234 Năng lượng Van der Waals Evdw
Năng lượng Van der Waals mocirc tả tương taacutec đẩy hay huacutet giữa caacutec nguyecircn tử
khocircng liecircn kết trực tiếp với nhau vagrave khocircng tiacutenh đến phần tĩnh điện Nếu khoảng
caacutech giữa caacutec nguyecircn tử lớn thigrave Evdw bằng 0 nếu khoảng caacutech nhỏ thigrave chuacuteng đẩy
nhau Tương taacutec Van der Waals bao hagravem tương taacutec khuếch taacuten tương taacutec cảm ứng
tương taacutec lưỡng cực-lưỡng cực tứ cực-lưỡng cực Evdw rất dương ở khoảng caacutech
nhỏ coacute cực tiểu hơi acircm tại khoảng caacutech tương ứng khi hai nguyecircn tử chỉ vừa chạm
nhau vagrave tiến tới 0 tại khoảng caacutech vocirc cugraveng Một dạng hagravem thỏa mn tiacutenh chất nagravey
lagrave
( ) ( )6
R
C R E R E repulvdw minus=
(141)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2663
23
Ta khocircng thiết lập được biểu thức chiacutenh xaacutec cho E repul S hạng nagravey phải tiến
tới 0 khi R tiến tới vocirc cugraveng vagrave phải tiệm cận 0 nhanh hơn s hạng thứ hai Một trong
những dạng thường sử dụng trong tiacutenh toaacuten lagrave biểu thức Lennard-Jones
( )6
2
12
1
R
C
R
C R E LJ minus=
(142)
Dạng hagravem nagravey cũng được hiệu chỉnh phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh mức
cao để cho kết quả tin cậy hơn
1235 Năng lượng tĩnh điện Eel
Do sự phacircn b caacutec electron trecircn phacircn tử magrave higravenh thagravenh necircn những phần tiacutechđiện dương vagrave acircm Ta coacute thể mocirc tả tương taacutec nagravey như tương taacutec giữa caacutec điểm tiacutech
điện bằng caacutech phacircn bổ điện tiacutech cho mỗi nguyecircn tử hoặc xem liecircn kết như một
lưỡng cực Hai mocirc higravenh nagravey tương đương về mặt vật liacute nhưng cho kết quả khocircng
hoagraven toagraven ging nhau trong tiacutenh toaacuten s
Với tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm
( ) RQQ R E
B A
elε =
(143)
(ε lagrave hằng s điện mocirci)
Điện tiacutech của nguyecircn tử cũng được phacircn bổ cho phugrave hợp với caacutec phương phaacutep tiacutenh
mức cao hoặc dữ kiện thực nghiệm ging như caacutec tương taacutec khaacutec trong trường lực
Với mocirc higravenh liecircn kết lưỡng cực biểu thức viết cho năng lượng tương taacutec
giữa 2 lưỡng cực coacute dạng sau
( ) ( ) B A
B A
el R
R E α α χ ε
micro micro coscos3cos
3minus=
(144)
Khocircng coacute cơ sở chặt chẽ nagraveo cho việc chọn giaacute trị hằng s điện mocirci ε thocircng
thường giaacute trị nagravey được lấy trong khoảng từ 1 đến 4
1236 Caacutec số hạng cheacuteo Ecross
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2763
24
Thực tế khocircng coacute sự taacutech biệt hoagraven toagraven giữa caacutec tương taacutec đ necircu ở trecircn khi
cho phacircn tử biến dạng để xacircy dựng bề mặt thế năng Để mocirc tả ảnh hưởng qua lại
của caacutec tương taacutec nagravey người ta đưa thecircm vagraveo s hạng Ecross vagrave thường viết ở dạng
tiacutech của caacutec khai triển Taylor
Như vậy đi với caacutec phương phaacutep trường lực caacutec pheacutep tiacutenh đều được viết ở
dạng cơ học cổ điển do đoacute cho kết quả tiacutenh toaacuten nhanh choacuteng vấn đề ct yếu của
caacutec phương phaacutep nagravey lagrave xaacutec định caacutec tham s để đưa vagraveo biểu thức tiacutenh Khi tiacutenh
cho hệ caacutec phacircn tử lớn khocircng thể xaacutec định tham s cho từng nguyecircn tử từng liecircn
kết cụ thể vagrave cũng khocircng thể xaacutec định lại caacutec tham s khi nghiecircn cứu caacutec hệ phacircn tử
khaacutec nhau Vigrave vậy cần xacircy dựng bộ tham s coacute tiacutenh chất khaacutei quaacutet vagrave ruacutet gọn Trongmỗi bộ tham s được xacircy dựng người ta xaacutec định tham s cho caacutec dạng nguyecircn tử
theo s hiệu nguyecircn tử vagrave tiacutenh chất liecircn kết magrave noacute tham gia Những bộ tham s nagravey
đều phải phugrave hợp tương đi với thực nghiệm hoặc caacutec phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng
tử mức cao Khocircng coacute bộ tham s nagraveo tuyệt đi tt hơn caacutec bộ tham s khaacutec vagrave
khocircng thể đưa tham s từ trường lực nagravey vagraveo trường lực khaacutec Một s trường lực
phổ biến như UFF Dreiding Amber CHARM
124 Kết hợp phươ ng phaacutep cơ học lượng tử -cơ học phacircn tử
Một trong những khoacute khăn chủ yếu của hoacutea học tiacutenh toaacuten khi nghiecircn cứu caacutec
hệ lớn lagrave cacircn bằng giữa độ chiacutenh xaacutec của kết quả vagrave thời gian tiacutenh toaacuten Caacutec phương
phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử tuy cho kết quả chiacutenh xaacutec nhưng lại khocircng thiacutech hợp với
những hệ như vậy do khi lượng tiacutenh toaacuten quaacute lớn vagrave việc thực hiện tiacutenh lượng tử
cho những hệ hagraveng nghigraven nguyecircn tử lagrave điều hoagraven toagraven khocircng khả thi
Phương phaacutep kết hợp lợi dụng đặc điểm lagrave trong hầu hết caacutec phản ứng với
xuacutec taacutec enzyme quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết chỉ xảy ra trecircn tacircm hoạt
động coacute sự tham gia của một s iacutet caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử protein ảnh hưởng
của phần cograven lại trecircn protein thường chỉ lagrave về mặt khocircng gian vagrave tương taacutec tĩnh
điện Trong phương phaacutep kết hợp mỗi vugraveng được xử liacute bằng một phương phaacutep tiacutenh
khaacutec nhau Phần hoạt động hoacutea học được xử liacute bằng phương phaacutep tiacutenh toaacuten lượng tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2863
25
mocirc tả chiacutenh xaacutec sự phaacute vỡ higravenh thagravenh liecircn kết hoacutea học phần cograven lại coacute thể được xử
liacute bằng caacutec phương phaacutep đỡ tn keacutem thời gian hơn Nhờ đoacute vừa mocirc tả được quaacute
trigravenh hoacutea học vừa tiết kiệm thời gian
Trước khi phương phaacutep kết hợp được aacutep dụng rộng ri mocirc higravenh tacircm hoạt
động lagrave một giải phaacutep nghiecircn cứu hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của enzyme Khi đoacute chỉ một
phần phacircn tử coacute tacircm hoạt động được sử dụng trong mocirc higravenh nghiecircn cứu vagrave việc tiacutenh
toaacuten bằng caacutec phương phaacutep lượng tử khocircng mấy khoacute khă n Tuy nhiecircn nhiều
enzyme coacute hoạt tiacutenh xuacutec taacutec cao magrave caacutec xuacutec taacutec khaacutec khocircng coacute được vagrave đặc biệt lagrave
coacute tiacutenh đặc thugrave đặc điểm nagravey khocircng thể giải thiacutech bằng một phần nhỏ trong phacircn
tử Mocirc higravenh tacircm hoạt động khocircng chỉ ra được ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tửenzyme vagrave trong nhiều trường hợp khocircng thể hiện được vai trograve xuacutec taacutec của enzyme
Vigrave vậy hiện tại phương phaacutep kết hợp đang lagrave phương phaacutep hiệu quả nghiecircn cứu hệ
xuacutec taacutec enzyme
Về nguyecircn tắc coacute nhiều kiểu kết hợ p caacutec phương phaacutep tiacutenh với nhau nhưng
phổ biến lagrave kết hợp giữa phương phaacutep lượng tử vagrave cơ học phacircn tử - QMMM
Phương phaacutep kết hợp lượng tửcơ học phacircn tử được tiecircn phong bởi Warshelvagrave Levitt vagraveo năm 1976 Trong đoacute Warshel đưa ra biểu thức nă ng lượng khi dugraveng
kết hợp phương phaacutep như sau
EE MM QM E
minus =
QM E ν
+ MM
E + MM QM
E minus
(145)
vớiQM
E ν
lagrave năng lượng của vugraveng QM trong trường ν tạo ra bởi điện tiacutech riecircng
phần của vugraveng MM
MM E lagrave năng lượng của vugraveng MM chứa tất cả caacutec s hạng MM liecircn kết vagrave
khocircng liecircn kết liecircn quan đến caacutec tacircm nằm gọn trong vugraveng MM)
MM QM E
minusthể hiện tương taacutec giữa hai vugraveng vagrave gồm hai thagravenh phần một lagrave nếu coacute
liecircn kết cộng hoacutea trị giữa vugraveng QM vagrave MM thigrave noacute sẽ chứa caacutec s hạng MM liecircn kết
qua biecircn (liecircn quan đến cả caacutec tacircm trong vugraveng QM vagrave MM) thứ hai noacute gồm tất cả
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 2963
26
caacutec s hạng MM cho tương taacutec Van der Waals liecircn quan đến một t acircm QM vagrave một
tacircm MM MM QM
E minus
khocircng chứa tương taacutec tĩnh điện giữa vugraveng QM vagrave MM
Kollman đưa ra một biểu thức dạng khaacutec như sau ME MM QM E minus
=QM E +
MM E +MM QM Q
E minus
(146)
Ở đacircyQM E khocircng cograven tiacutenh đến ảnh hưởng từ vugraveng MM nữa Thay vagraveo đoacute tương
taacutec t ĩnh điện giữa caacutec vugraveng được tiacutenh vagraveo MM QM Q
E minus
bằng caacutech aacutep điện tiacutech riecircng
phần cho caacutec nguyecircn tử trong vugraveng QM vagrave dugraveng caacutec biểu thức tiacutenh thocircng thường
cho tương taacutec giữa caacutec điện tiacutech điểm theo trường lực MM
Trong phần mềm Gausian phươ ng phaacutep kết hợp được thực hiện với k ĩ thuật
ONIOM Phacircn tử được chia thagravenh caacutec vugraveng ở mức cao vagrave mức thấp mỗi vugraveng aacutep
dụng một phươ ng phaacutep tiacutenh trong phươ ng phaacutep QMMM thigrave vugraveng cao aacutep dụng một
phươ ng phaacutep cơ học lượng tử vugraveng thấp aacutep dụng phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử
Năng lượng được tiacutenh như sau
Low Model Lowal High ModelONIOM E E E E
Re minus+= (147)
ở đacircy Real chỉ toagraven bộ hệ thực Model chỉ vugraveng QM High chỉ phươ ng phaacutep aacutep
dụng ở mức cao Low chỉ phươ ng phaacutep aacutep dụng cho mức thấp Khi phacircn vugraveng một
s liecircn kết coacute thể bị cắt do đoacute cần phải đưa một nguyecircn tử ldquoảordquo vagraveo để thay thế
phần bị cắt những nguyecircn tử nagravey gheacutep vagraveo với phần mức cao để tạo Model
Do aacutep dụng caacutec phươ ng phaacutep khaacutec nhau cho mỗi vugraveng necircn coacute sự giaacuten đoạn
qua phần phacircn cắt Vigrave thế để đảm bảo tiacutenh chiacutenh xaacutec vagrave liecircn tục trecircn bề mặt thế
năng vị triacute phacircn cắt cần phải xa tacircm phản ứng hoacutea học vagrave khocircng cắt qua caacutec bộ phận cứng nhắc trong phacircn tử
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3063
27
CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VAgrave COcircNG CỤ TIacuteNH TOAacuteN
21 Nguồn dữ liệu
Protein Data Bank (PDB) lagrave kho lưu trữ dữ liệu cấu truacutec 3-D của caacutec phacircn tử
sinh học lớn như lagrave protein vagrave axit nucleic Caacutec file dữ liệu cấu truacutec được đưa lecircn
bở i caacutec nhagrave sinh học vagrave hoacutea sinh từ khắp thế giới coacute thể truy cập vagrave tải về miễn phiacute
qua caacutec trang web thagravenh viecircn PDBe PDBj RCSB Dữ liệu đưa lecircn Protein Data
Bank được kiểm tra lại bằng phần mềm PDB Validation Suite
Caacutec phươ ng phaacutep thường được sử dụng để xaacutec định cấu truacutec trecircn PDB lagrave xaacutec
định cấu truacutec tinh thể dugraveng tia X phươ ng phaacutep phổ cộng hưởng từ NMR vagravephươ ng phaacutep hiển vi điện tử nhiệt độ thấp Caacutec cấu truacutec sử dụng trong luận văn đều
thu được bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X Mỗi cấu truacutec đều ghi chuacute rotilde ragraveng độ
phacircn giải của dữ liệu
Độ phacircn giải lagrave thước đo chất lượng của dữ liệu được tập hợp Nếu tất cả caacutec
protein ở những điểm tươ ng đươ ng trong caacutec tinh thể định hướng ging nhau thigrave ta
sẽ thu được tinh thể hoagraven hảo khi đoacute tất cả caacutec protein sẽ phacircn taacuten tia X cugraveng một
kiểu như nhau vagrave nhiễu xạ đồ thu được sẽ thể hiện được thocircng tin chi tiết về tinh
thể vị triacute của caacutec nguyecircn tử coacute thể xaacutec định được rotilde ragraveng Nhưng nếu khocircng coacute
được tinh thể hoagraven hảo do tiacutenh mềm dẻo của từng phần trong protein vagrave do caacutec
phacircn tử protein lớn khi kết tinh khocircng định hướng như nhau thigrave nhiễu xạ đồ sẽ thể
hiện thocircng tin cấu truacutec keacutem chi tiết hơ n Noacutei caacutech khaacutec độ phacircn giải lagrave thước đo
mức độ thể hiện chi tiết của nhiễu xạ đồ vagrave do đoacute lagrave thước đo mức độ chi tiết khi
tiacutenh mật độ electron Với độ phacircn giải cao thigrave coacute thể nhigraven thấy ngay vị triacute của mọi nguyecircn tử từ bản đồ mật độ electron cograven với độ phacircn giải thấp thigrave chỉ thấy được
khung của chuỗi protein Từ nhiễu xạ đồ coacute thể lập được bản đồ mật độ electron vagrave
dự đoaacuten được vị triacute của caacutec nguyecircn tử Từ cấu truacutec dự đoaacuten tiacutenh ngược lại mật độ
electron để khớp với bản đồ mật độ electron từ nhiễu xạ đồ Quy trigravenh nagravey được lặp
đi lặp lại cho đến khi coacute độ phugrave hợp mong mun Độ phacircn giải xaacutec định giới hạn
của dữ liệu nhiễu xạ
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3163
28
Nếu độ phacircn giải lớn hơ n 40 Ǻ thigrave khocircng thể xaacutec định được tọa độ riecircng rẽ
của caacutec nguyecircn tử
Độ phacircn giải trong khoảng 30 ndash 40 Ǻ cấu truacutec bộ khung coacute thể đuacuteng nhưng
phần mạch nhaacutenh coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 25 ndash 30 Ǻ bộ khung coacute thể xaacutec định đuacuteng với
caacutec nhaacutenh dagravei vagrave mảnh của một s aminoaxit như Lys Glu Gln vagrave caacutec nhaacutenh
nhỏ của Ser Val Thr coacute cấu dạng khocircng đaacuteng tin cậy
Độ phacircn giải trong khoảng 20 ndash 25 Ǻ s nhaacutenh coacute cấu dạng sai iacutet hơ n đaacuteng kể Coacute thể xaacutec định được caacutec phacircn tử nước vagrave caacutec phi tử nhỏ
Độ phacircn giải trong khoảng 15 ndash 20 Ǻ chỉ cograven lỗi nhỏ về cấu dạng
Độ phacircn giải trong khoảng 05 ndash 15 Ǻ tọa độ của caacutec nguyecircn tử được xaacutec
định với độ tin cậy cao
Higravenh 21 minh họa dữ kiện nhiễu xạ ở caacutec mức độ phacircn giải khaacutec nhau
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3263
29
Higravenh 2 1 Ảnh hưởng của độ phacircn giải đến khả năng xaacutec định chiacutenh xaacutec cấu truacutec từ nhiễu xạ đồ
Ở higravenh 21 caacutec đườ ng magraveu xanh vagrave magraveu vagraveng bao quanh vugraveng coacute mật độelectron lớn Với độ phacircn giải 10 Å bản đồ mật độ thể hiện ngay vị triacute caacutec nguyecircn
tử Với độ phacircn giải 20 Å coacute thể xaacutec định được caacutec cấu truacutec vograveng dự đoaacuten được
caacutec đơn vị aminoaxit Với độ phacircn giải 27 Å coacute thể dự đoaacuten được cấu truacutec vograveng
mạch nhaacutenh khoacute xaacutec định Cograven với độ phacircn giải 30 Å mật độ coacute dạng higravenh ng
khoacute xaacutec định cấu truacutec chiacutenh xaacutec
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3363
30
Cấu truacutec 2ACE xaacutec định bằng phươ ng phaacutep nhiễu xạ tia X với độ phacircn giải
25 Ǻ bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten được ghi lại trong file 2ACEpdb
thể hiện trong higravenh 22
Higravenh 2 2 Bản đồ mật độ electron vagrave cấu truacutec dự đoaacuten của 2ACE
Từ higravenh trecircn ta thấy trecircn cơ chất acetylcholine coacute một s nguyecircn tử khocircng
xaacutec định được chiacutenh xaacutec vị triacute từ nhiễu xạ đồ Cấu truacutec trecircn được dự đoaacuten vagrave tinh
chỉnh cho khớp với bản đồ mật độ electron vagrave khocircng thể traacutenh khỏi sai s
Dữ liệu cấu truacutec của protein cograven được lấy từ PDBsum UniProt UniProt
cung cấp thocircng tin chi tiết về cấu truacutec sơ cấp thứ cấp vagrave ghi chuacute về chức năng sinh
học hoạt tiacutenh xuacutec taacutec caacutec tacircm hoạt động
Đi chiếu với thứ tự caacutec aminoaxit cấu truacutec 2ACE thiếu caacutec aminoaxit từ
485 đến 489 Đoạn cograven thiếu vagrave một s sai soacutet ở caacutec nhaacutenh cũng được chỉnh sửa
dugraveng phần mềm Alcelrys MS Modeling 40 Acelrys Discovery Studio Visualizer
25 vagrave GaussView 30 dựa vagraveo cấu truacutec thứ cấp vagrave tham khảo cấu truacutec 1CFJ
22 AutoDock 42 vagrave AutoDockTools 154
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3463
31
AutoDock 42 lagrave phiecircn bản mới nhất trong chuỗi phần mềm AutoDock sản
phẩm của The Scripps Research Institute Đacircy lagrave phần mềm matilde nguồn mở được sử
dụng trong luận văn với mục điacutech khảo saacutet docking đi với acetylcholine lecircn phacircn
tử enzyme acetylcholinesterase AutoDock 42 được dugraveng kegravem với AutoDockTools
154 để hỗ trợ giao diện đồ họa
Caacutec bước tiến hagravenh docking
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec enzyme vagrave cơ chất dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec acetylcholinesterase từ file 2ACE được bổ sung chỉnh sửa loại bỏ
cơ chất caacutec phacircn tử nước thecircm H (dugraveng phần mềm Alcelrys DiscoveryStudio Visualizer 25) dạng nguyecircn tử (dugraveng để xaacutec định tham s trường
lực) vagrave điện tiacutech sẽ được tự động thecircm vagraveo trong AutoDockTools vagrave được
ghi lại dưới dạng file pdbqt
Cấu truacutec của acetylcholine được ti ưu hoacutea sơ bộ dugraveng Gaussian 03W sau
đoacute dạng của caacutec nguyecircn tử trong phacircn tử cũng được tự động gaacuten cho vagrave ghi
lại dưới dạng file pdbqt trong AutoDockTools
Xaacutec định phần phacircn tử enzyme coacute khả năng chuyển động linh hoạt ghi riecircng
rẽ cấu truacutec cứng vagrave phần cấu truacutec coacute thể chuyển động dưới dạng file pdbqt
bull Bước 2 Tiacutenh trecircn AutoGrid
Xaacutec định khocircng gian khảo saacutet khoảng caacutech trong lưới điểm Trong phacircn tử
docking coacute bao nhiecircu dạng phacircn tử thigrave AutoGrid sẽ cho ra kết quả lagrave bấy
nhiecircu bản đồ ghi thế của caacutec dạng nguyecircn tử đoacute trong khocircng gian mạng lưới
khảo saacutet dưới taacutec dụng của phần cấu truacutec cứng AutoGrid cũng tạo ra 2 bản
đồ thế lagrave thế t ĩnh điện vagrave thế khử solvat hoacutea cho mọi trường hợp Caacutec thế nagravey
sẽ được dugraveng khi đaacutenh giaacute năng lượng trong quaacute trigravenh docking
Trong trường hợp khảo saacutet phacircn tử acetylcholine gắn kết lecircn
acetylcholinesterase với nhaacutenh của Ser(200) coacute thể chuyển động AutoGrid
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3563
32
tạo ra 4 bản đồ cho 4 loại nguyecircn tử C OA N HD vagrave 2 bản đồ thế t ĩnh điện
vagrave thế khử solvat hoacutea
Higravenh 23 minh họa caacutec bản đồ thế trecircn được gheacutep chung vagrave bản đồ thế cho C
bull Bước 3 Docking
Thuật toaacuten tigravem kiếm được sử dụng lagrave kết hợp thuật giải di truyền với ti ưu
cục bộ
Caacutec thocircng số cho thuật giải di truyền
Kiacutech thước quần thể 150 (autodock cho pheacutep trong khoảng 50 đến 200)
Đaacutenh giaacute năng lượng ti đa 2500000 lần
S thế hệ khảo saacutet ti đa 27000
Tỉ lệ đột biến 002
Tỉ lệ lai gheacutep 08
Higravenh 2 3 Bản đồ thế tạo ra bởi AutoGrid gheacutep chồng vagrave bản đồ thế riecircng cho C
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3663
33
Lai gheacutep vagrave đột biến xảy ra tại 2 điểm trecircn nhiễm sắc thể
S cấu dạng đầu ra được xaacutec định trong từng trường hợp cụ thể
Caacutec thocircng s cograven lại sử dụng mặc định của phần mềm
23 AutoDock Vina 111
AutoDock Vina lagrave phần mềm matilde nguồn mở từ The Scripps Research
Institute được dugraveng trong luận văn để khảo saacutet docking
AutoDock Vina cũng dugraveng caacutec file cấu truacutec như AutoDock coacute thể dugraveng kết
hợp AutoDockTools để hỗ trợ nhưng khocircng cần tiacutenh với AutoGrid việc tiacutenh toaacuten
với caacutec lưới điểm được thực hiện tự động AutoDock Vina coacute ưu điểm lagrave tiacutenh toaacuten
nhanh kết quả được trigravenh bagravey rotilde ragraveng tự động sắp thứ tự s lượng cấu dạng đầu ra
được tự động xaacutec định theo khoảng năng lượng traacutenh lỗi rơ i vagraveo vograveng lặp khocircng xaacutec
định như trong AutoDock thiacutech hợp cho việc khảo saacutet sơ bộ Caacutec thocircng s cho
thuật toaacuten tigravem kiếm được đặt sẵn từ kết quả khớp với ngacircn hagraveng cơ sở dữ liệu PDB
khi xacircy dựng phần mềm
24 Gaussian 03W vagrave GaussView 30Gaussian lagrave phần mềm tiacutenh toaacuten hoacutea học được sử dụng rộng ratildei Phươ ng
phaacutep QMMM được thực hiện trecircn phần mềm nagravey Gaussian dugraveng kết hợp với
GaussView để hỗ trợ giao diện đồ họa thuận tiện cho việc chỉnh sửa cấu truacutec gaacuten
caacutec tham s khi chuẩn bị file đầu vagraveo
Caacutec bước tiến hagravenh
bull Bước 1 Chuẩn bị cấu truacutec
File cấu truacutec protein ở dạng pdb được bổ sung chỉnh sửa dugraveng Accelrys MS
Modeling 40 vagrave Accelrys Discovery Studio 25
bull Bước 2 Bổ sung caacutec tham s trường lực
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3763
34
Bổ sung caacutec dạng nguyecircn tử vagrave caacutec tham s trường lực theo bộ tham s
AMBER parm96 trong goacutei Amber10 Amber lagrave bộ tham s được dugraveng phổ
biến khi nghiecircn cứu caacutec phacircn tử protein vagrave axit nucleic
Vigrave trường lực Amber khocircng coacute đủ caacutec tham s cho nhiều phacircn tử hữu cơ
(thường gặp đi với caacutec cơ chất khi nghiecircn cứu hệ xuacutec taacutec enzyme) necircn tham
s cho phacircn tử cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF dugraveng
AmberTools-14 GAFF lagrave bộ tham s phugrave hợp với trường lực Amber vagrave noacute
bao gồm hầu hết tham s cho caacutec phacircn tử hữu cơ chứa C N O H S P vagrave
caacutec nguyecircn tử halogen
bull Bước 3 Phacircn mức tiacutenh
Để tiacutenh toaacuten đạt hiệu quả việc phacircn mức cần tuacircn theo một s quy tắc
o Quy tắc 1
Phần xảy ra phản ứng hoacutea học cần nằm trọn trong vugraveng được tiacutenh toaacuten
bằng phươ ng phaacutep chiacutenh xaacutec (mức cao) Trong trường hợp nghiecircn
cứu tươ ng taacutec hoacutea học trực tiếp xảy ra giữa acetylcholine vagrave nhoacutem
OH trecircn Ser(200) Như vậy việc phacircn vugraveng sẽ cắt qua 2 liecircn kết trecircn
phacircn tử acetylcholinesterase
o Quy tắc 2
Phươ ng phaacutep dugraveng ở mức thấp phải nhanh nhưng vẫn đảm bảo mocirc tả
được caacutec hiệu ứng gacircy ra bởi vugraveng nagravey Phần cograven lại của phacircn tử
enzyme chủ yếu gacircy ra hiệu ứng về mặt khocircng gian vagrave t ĩnh điện đi
với cơ chất necircn phươ ng phaacutep MM với caacutec thagravenh phần trường lực đatilde
noacutei ở chươ ng 1 coacute thể đaacutep ứng được quy tắc nagravey
o Quy tắc 3
Vigrave khi cắt qua liecircn kết để đảm bảo tiacutenh chất của hệ hoacutea học liecircn kết
bị cắt trong phần QM phải được thay thế bằng liecircn kết với một
nguyecircn tử khaacutec Vagrave vigrave chỉ một nguyecircn tử duy nhất được dugraveng để thay
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3863
35
thế cho mỗi vị triacute bị cắt liecircn kết bị cắt necircn lựa chọn lagrave liecircn kết đơ n vagrave
nguyecircn tử thay thế lagrave nguyecircn tử tạo liecircn kết đơ n duy nhất
o Quy tắc 4 Nguyecircn tử thay thế khocircng tham gia vagraveo quaacute trigravenh hoacutea học vagrave caacutech xa
tacircm phản ứng hoacutea học (tức lagrave phần QM coacute kiacutech thước lớn) để đảm bảo
phần sai lệch ảnh hưởng khocircng đaacuteng kể
Cụ thể quaacute trigravenh phaacute vỡ vagrave higravenh thagravenh liecircn kết necircn xảy ra caacutech vugraveng
MM từ 3 liecircn kết trở lecircn để đảm bảo tiacutenh liecircn tục của phần MM Vigrave
caacutec s hạng liecircn kết trong phần MM keacuteo dagravei trecircn 4 tacircm necircn phần coacute
liecircn kết mới higravenh thagravenh phải caacutech phần MM 3 liecircn kết trở lecircn
Ngoagravei ra phần phacircn cắt cũng phải ging nhau trong hệ chất phản ứng
vagrave sản phẩm để khi so saacutenh giữa hệ phản ứng vagrave hệ sản phẩm sai s
coacute thể được loại trừ
o Quy tắc 5
Khocircng cắt qua caacutec cấu truacutec vograveng đặc biệt lagrave vograveng nhỏ vigrave caacutec cấu truacutecvograveng thường cứng nhắc đi với vograveng beacute sức căng vograveng lớn thay thế
liecircn kết trong vograveng bằng một liecircn kết đơ n lagravem mất tiacutenh chất nagravey
o Quy tắc 6
Trong trường hợp nghiecircn cứu phải cắt qua 2 liecircn kết do đoacute cần thay
thế bằng 2 nguyecircn tử sai s sẽ khocircng đaacuteng kể nếu sai khaacutec giữa
nguyecircn tử thay thế vagrave nguyecircn tử bị thay thế bugrave trừ cho nhau ở 2 phiacuteabị cắt
Aacutep dụng caacutec quy tắc trecircn vagraveo hệ nghiecircn cứu phần QM được chọn lagrave
Ser(200) vagrave phacircn tử acetylcholine hai nguyecircn tử tiếp giaacutep với vugraveng QM được thay
thế bằng 2 nguyecircn tử H
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 3963
36
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VAgrave THẢO LUẬN
31 Protein docking
Tiến hagravenh Docking với AutoDock Vina ban đầu toagraven bộ phacircn tử
acetylcholinesterase đưa vagraveo dưới dạng cấu truacutec cứng Khocircng gian khảo saacutet xaacutec
định như trong higravenh 31
Higravenh 3 1 Khocircng gian khảo saacutet docking với AutoDock Vina
Khocircng gian khảo saacutet gồm toagraven bộ phacircn tử acetylcholinesterase Caacutec thocircng s
như sau
center_x = 5116
center_y = 64613
center_z = 55588
size_x = 60
size_y = 60
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4063
37
size_z = 60
Thực hiện docking phacircn tử acetylcholine kết quả cho ra 9 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -49 0
2 -46 2174
3 -45 2801
4 -44 5672
5 -43 369
6 -43 482
7 -43 2635
8 -42 2807
9 -42 5052
Trong cả 9 trường hợp acetylcholine đều nằm trong cugraveng một hc của phacircn
tử acetylcholinesterase (higravenh 32)
Higravenh 3 2 Caacutec cấu dạng gắn kết coacute aacutei lực acircm nhất của acetylcholine lecircnacetylcholinesterase
Đacircy chiacutenh lagrave hc phản ứng coacute đơn vị Ser(200) ở đaacutey Kết quả nagravey phugrave hợp
với dữ kiện thực nghiệm về vị triacute phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4163
38
Trườ ng hợp tiếp theo tiến hagravenh docking cũng với AutoDock Vina khocircng
gian khảo saacutet lấy cugraveng cỡ s cấu dạng ti đa lagrave 100 khoảng caacutech mức năng lượng
gắn kết giữa cấu higravenh coacute năng lượng thấp nhất với cấu higravenh coacute năng lượng cao nhất
ti đa lagrave 10kcalmol (ở trong trường hợp trecircn s cấu dạng ti đa lagrave 9 khoảng caacutech
mức năng lượng gắn kết ti đa lagrave 3kcalmol) Mạch nhaacutenh của đơ n vị aminoaxit
Ser(200) được để tự do Kết quả cho ra 20 cấu dạng
modeaffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -55 0
2 -51 2007
3 -48 5288
4 -47 33535 -46 4457
6 -45 4454
7 -45 718
8 -45 849
9 -44 3972
10 -43 5391
11 -43 2425
12 -42 12932
13 -41 8245
14 -41 816
15 -4 8948
16 -4 5483
17 -4 12809
18 -38 14354
19 -38 16418
20 -38 24441
Trong đoacute ở 11 dạng đầu phacircn tử acetylcholine cũng nằm trong hc coacute
Ser(200) 3 trạng thaacutei nằm ở cửa hc phản ứng ở caacutec trạng thaacutei cograven lại
acetylcholine neo đậu tại caacutec vị triacute becircn ngoagravei của phacircn tử acetylcholinesterasenhưng tại caacutec vị triacute nagravey ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro khocircng coacute điều kiện
để phản ứng hoacutea học xảy ra
Trong những cấu dạng đầu acetylcholine định hướng ngay trecircn đơn vị
aminoaxit Ser(200) Ta nhận xeacutet thấy khi Ser(200) được cho chuyển động thigrave aacutei lực
của caacutec cấu dạng đầu acircm hơn so với trường hợp để cả phacircn tử acetylcholinesterase
cứng nhắc
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4263
39
Higravenh 33 34 lagrave 2 cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
Higravenh 3 3 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm nhất
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4363
40
Higravenh 3 4 Cấu dạng coacute aacutei lực acircm thứ hai
Ngoagravei yếu t t ĩnh điện vagrave liecircn kết hydro phacircn tử acetylcholine coacute xu thế định
hướng nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan
Tiến hagravenh docking dugraveng AutoDock với kiacutech thước khocircng gian khảo saacutet nhỏ
hơ n bao hc phản ứng mạch nhaacutenh của Ser(200) coacute thể quay tự do
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4463
41
Higravenh 3 5 Khocircng gian khảo saacutet với AutoDock
Tiến hagravenh docking với 2 trường hợp tigravem 10 cấu dạng vagrave 20 cấu dạng Kết
quả trong cả 2 trường hợp caacutec phacircn tử acetylcholine đều nằm trong hc phản ứng
định hướng trecircn Ser(200) vagrave hướng nhoacutem amin bậc 4 về vograveng Tryptophan
Trường hợp tigravem 10 cấu dạng
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -457 0
2 -456 044
3 -455 082
4 -452 077
5 -436 046
6 -426 119
7 -409 084
8 -408 105
9 -388 134
10 -388 127
Trường hợp tigravem 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4563
42
ModeAffinity
(kcalmol)
dist from best mode
(rmsd lb Ǻ)
1 -522 0
2 -522 069
3 -516 0814 -492 06
5 -483 086
6 -48 087
7 -47 048
8 -469 084
9 -459 09
10 -457 09
11 -454 08
12 -439 094
13 -425 097
14 -424 132
15 -419 09616 -398 142
17 -396 132
18 -383 132
19 -377 148
20 -361 14
Dưới đacircy lagrave 2 cấu dạng coacute năng lượng gắn kết acircm nhất trong mỗi trường hợp
(higravenh 36 37)
Trường hợp 10 cấu dạng
Higravenh 3 6 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 10 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4663
43
Trường hợp 20 cấu dạng
Kết quả trong cả 2 trường hợp tươ ng đi ging nhau cả về năng lượng vagrave caacutec
cấu dạng Mặc dugrave phươ ng phaacutep tigravem kiếm lagrave ngẫu nhiecircn nhưng kết quả coacute tiacutenh ổn
định vagrave đaacuteng tin cậy
Như vậy từ kết quả docking trecircn cả 2 phần mềm AutoDock vagrave AutoDock
Vina với 2 phươ ng phaacutep khaacutec nhau ta coacute thể bước đầu nhận định acetylcholine coacute
khả năng gắn kết cao trong hc chứa đơ n vị aminoaxit Ser(200) vagrave coacute xu hướng
quay nhoacutem amin bậc 4 về phiacutea vograveng Tryptophan Thực nghiệm đatilde xaacutec nhận kết quả
nagravey Đồng thời dựa vagraveo kết quả khảo saacutet trecircn AutoDock Vina trong khocircng gian lớn
chứa toagraven bộ phacircn tử coacute thể đưa ra nhận định lagrave quaacute trigravenh dịch chuyển của acetylcholine từ becircn ngoagravei vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave coacute thể qua caacutec trạng thaacutei neo đậu lagrave những trạng thaacutei
bền cục bộ
32 Aacutep dụng phương phaacutep QMMM đối với hệ phản ứng
321 Cấu truacutec enzyme
Higravenh 3 7 Hai cấu dạng bền nhất trong trường hợp 20 cấu dạng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4763
44
Cấu truacutec của acetylcholinesterase xacircy dựng từ dữ kiện nhiễu xạ tia X ở dạng
file pdb (2ACEpdb vagrave 1CFJpdb) được chỉnh sửa bổ sung cho đầy đủ caacutec
aminoaxit
Phacircn vugraveng tiacutenh toaacuten đơ n vị aminoaxit Ser(200) được tiacutenh ở mức cao theo
phươ ng phaacutep DFT phiếm hagravem B3LYP phần cograven lại trong phacircn tử
acetylcholinesterase được tiacutenh ở mức thấp phươ ng phaacutep cơ học phacircn tử trường lực
AMBER Caacutec tham s trường lực được bổ sung theo bộ tham s parm96 (đi kegravem
trong antechamber)
Khảo saacutet với một s bộ hagravem cơ sở được kết quả toacutem tắt như trong bảng sau
Bảng 1 Kết quả vagrave thời gian tiacutenh tối ưu cấu truacutec enzyme với một số bộ hagravem cơ sở
Bộ hagravem cơ sở RMSD(Ǻ) E Thời gian tiacutenh (Job cpu time) 6-311++g(dp) -35875734276 au6-311++g(d) 0045 -35873338665 au 7 hours 54 minutes 200 seconds
6-311++g 0026 -35865200654 au 9 hours 31 minutes 440 seconds
6-311+g(dp) 0003 -35875706059 au 7 hours 4 minutes 390 seconds
6-311+g(d) 0006 -35874010777 au 9 hours 23 minutes 540 seconds
6-311+g 0026 -35865148321 au 8 hours 13 minutes 590 seconds6-311g(dp) 0014 -35873760160 au 6 hours 51 minutes 320 seconds
6-311g(d) 0011 -35872085986 au 4 hours 58 minutes 340 seconds
6-311g 0020 -35863378965 au 6 hours 2 minutes 250 seconds
(Giaacute tr ị RMSD chỉ tiacutenh cho phần mức cao)
N
d
RMSD
N
i
iisum== 1
2
trong đoacute dii lagrave khoảng caacutech giữa 2 nguyecircn tử tươ ng ứng
ở 2 cấu truacutec RMSD được tiacutenh trecircn phầm mềm PyMol 2 cấu truacutec sẽ được sắp đặt để
độ lệch giữa chuacuteng lagrave nhỏ nhất Higravenh học được so saacutenh với cấu truacutec 1QID
Từ bảng thng kecirc trecircn để cacircn bằng giữa thời gian tiacutenh toaacuten cũng như độ
chiacutenh xaacutec về năng lượng vagrave higravenh học ta coacute thể chọn bộ hagravem cơ sở 6-311g(d) để
khảo saacutet
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4863
45
Cơ chất acetylcholine cũng được ti ưu hoacutea theo phươ ng phaacutep DFT phiếm
hagravem B3LYP bộ hagravem cơ sở 6-311g(d)
Higravenh 38 mocirc tả bề mặt của enzyme vagrave acetylcholine đatilde ti ưu
Higravenh 3 8 Bề mặt của acetylcholine vagrave hốc phản ứng trecircn acetylcholinesterase (hai cấutruacutec đatilde được tối ưu)
Ta thấy kiacutech thước nhoacutem amin bậc bn khaacute lớn so với kiacutech thước cửa hc
phản ứng vagrave cơ chất khocircng thể đi qua để vagraveo hc phản ứng nếu cấu truacutec của protein
cứng nhắc do sự cản trở của Tyr(121) vagrave Phe(330) (xem higravenh 312) Cugraveng với nhận
xeacutet đatilde necircu khi tiến hagravenh docking ta coacute thể khẳng định lagrave enzyme
acetylcholinesterase coacute cấu truacutec thay đổi linh hoạt trong quaacute trigravenh phản ứng vagrave
acetylcholine di chuyển vagraveo trong hc phản ứng khocircng chỉ tuacircn theo định luật
khuếch taacuten thocircng thường magrave qua caacutec trạng thaacutei neo đậu bền cục bộ Acetylcholine
phải coacute aacutei lực tươ ng đi lớn với một s điểm trecircn phacircn tử enzyme [56]
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 4963
46
322 Cơ chất trong hốc phản ứng ở trạng thaacutei chưa liecircn kết
Trạng thaacutei của acetylcholine trong hc phản ứng cũng được ti ưu dựa vagraveo
định hướng trong quaacute trigravenh docking Tham s trường lực của caacutec nguyecircn tử trecircn cơ chất được bổ sung theo bộ tham s GAFF như đatilde noacutei ở chươ ng 2
Higravenh 3 9 Trạng thaacutei acetylcholine trong hốc phản ứng đatilde được tối ưu
Năng lượng tiacutenh được
ONIOM Total Energy = -84019781353 au
Sự biến đổi cấu truacutec của cơ chất trong hc phản ứng so với trạng thaacutei tự do
(đatilde ti ưu) thể hiện trong higravenh 310
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5063
47
Higravenh 3 10 Sự biến đổi cấu truacutec acetylcholine trong hốc phản ứng so vớitrạng thaacutei tự do
với giaacute trị độ lệch tiecircu chuẩn
RMSD = 0232
Cấu truacutec của acetylcholine đatilde bị biến đổi dưới taacutec dụng của enzyme vagrave ở
đacircy mới chỉ coacute ảnh hưởng của hiệu ứng khocircng gian vagrave t ĩnh điện Sự thay đổi cấu
truacutec thể hiện chi tiết trong bảng 2
(Caacutech đaacutenh số caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine như higravenh 311)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5163
48
Higravenh 3 11 Thứ tự caacutec nguyecircn tử trong acetylcholine
Từ caacutec s liệu trong bảng 2 ta thấy độ dagravei của caacutec liecircn kết khi acetylcholine
vagraveo trong hc phản ứng noacutei chung lớn hơ n so với trạng thaacutei tự do sự biến đổi goacutec
liecircn kết thể hiện khocircng rotilde ragraveng Một s goacutec xoắn coacute sự thay đổi đaacuteng kể như goacutec
O(6)-C(5)-C(1)-H(4) C(11)-C(8)-O(7)-C(5) Độ dagravei liecircn kết C(5)-O(7) tăng lecircn đến
1398 Ǻ gần với độ dagravei liecircn kết C(8)-O(7) (1404 Ǻ-độ dagravei của liecircn kết đơn ở trạng
thaacutei tự do) tiacutenh chất đồng phẳng của caacutec nguyecircn tử C(1) C(5) O(6) vagrave O(7) giảm
Những thay đổi trecircn tạo thuận lợi về higravenh học cho sự tiếp cận của C(5) lecircn O trong
nhoacutem OH trecircn Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5263
49
Bảng 2 Độ dagravei liecircn kết goacutec liecircn kết vagrave goacutec nhị diện của acetylcholine trong hốc phản ứng vagrave trạng thaacutei tự do
STTKiacute hiệu
nguyecircn tử NA NB NC
Acetylcholine trong hốc phản ứng Acetylcholine tự do
Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện Độ dagravei liecircn kết Goacutec liecircn kết Goacutec nhị diện
1 C
2 H 1 1099 1084
3 H 1 2 1094 106400 1084 107797
4 H 1 2 3 1085 110372 120407 1079 110505 120380
5 C 1 4 3 1503 111039 122063 1496 109477 119976
6 O 5 1 4 1204 127795 31252 1184 126668 -3525
7 O 5 1 6 1398 109599 176044 1342 112014 179862
8 C 7 5 1 1421 119154 -168039 1404 117199 174293
9 H 8 7 5 1096 107812 -134332 1080 105487 -159565
10 H 8 7 5 1089 113010 -14261 1079 109597 -42168
11 C 8 7 5 1537 104517 109076 1535 109012 80969
12 H 11 8 7 1089 111648 -64094 1078 109661 -40187
13 H 11 8 7 1093 108620 53697 1082 109972 79340
14 N 11 8 7 1523 118241 172883 1508 115235 -159868
15 C 14 11 8 1504 106808 -177237 1496 107740 -172925
16 H 15 14 11 1089 109895 -175250 1080 108927 -177908
17 H 15 14 11 1091 109457 -55186 1080 108971 -58027
18 H 15 14 11 1091 109242 63652 1080 109140 62099
19 C 14 11 8 1506 112351 63361 1499 110964 68688
20 H 19 14 11 1091 108722 59319 1079 108916 55755
21 H 19 14 11 1090 108007 177632 1080 108329 175842
22 H 19 14 11 1090 109145 -62725 1077 110001 -64198
23 C 14 11 8 1505 110549 -60257 1493 111145 -53851
24 H 23 14 11 1092 108126 -49486 1081 109056 -54885
25 H 23 14 11 1089 109628 70606 1079 109652 65755
26 H 23 14 11 1090 108674 -169438 1080 108816 -174632
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5363
50
Cấu truacutec hc phản ứng khi coacute acetylcholine cũng biến đổi so với khi chưa coacute
acetylcholine (higravenh 312)
Higravenh 3 12 Sự biến đổi cấu truacutec hốc phản ứng khi coacute (neacutet đậm) vagravekhocircng coacute cơ chất (neacutet mảnh)
Caacutec đơn vị aminoaxit trong hc phản ứng coacute cấu truacutec biến đổi nhi ều nhất coacute xu
hướng gin ra caacutec mạch nhaacutenh được định hướng lại
323 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Phức giữa acetylcholine với enzyme cũng được ti ưu cho kết quả như higravenh
313
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5463
51
Higravenh 3 13 Cấu truacutec phức enzyme-cơ chất
Taacutech riecircng phần mức cao
Higravenh 3 14 Cấu truacutec phức giữa acetylcholine trecircn nhoacutem OH của Ser(200)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5563
52
So saacutenh với cấu higravenh phức trong file pdb (triacutech từ 2ACEpdb) được
RMSD = 0851
Độ lệch nagravey trong giới hạn chấp nhận được khi xem xeacutet độ phacircn giải của dữ
liệu từ file pdb Nếu chỉ tiacutenh phần Ser(200) thigrave RMSD = 0117 Ǻ sai lệch chủ yếu
lagrave ở phần acetylcholine Nếu chỉ xeacutet phần cấu truacutec khung của protein trong hc phản
ứng thigrave độ lệch chỉ nhỏ hơn RMSD = 0006 Aring (Chuacute yacute r ằng phần cơ chất khocircng
được định vị chiacutenh xaacutec từ dữ kiện nhiễu xạ tia X )
Năng lượng tiacutenh được cho cấu higravenh phức đatilde ti ưu
ONIOM Total Energy = -84018639692 au
Ở đacircy coacute sự biến đổi hoagraven toagraven goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết trong trạng thaacutei
chưa tạo phức vagrave trạng thaacutei tạo phức đi với acetylcholine tại nhoacutem chức este Caacutec
goacutec liecircn kết quanh C(5) đều coacute giaacute trị gần với goacutec tứ diện đều (109o28rsquo) cấu truacutec
phẳng của nhoacutem C=O khocircng cograven nữa
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei chưa liecircn kết vagrave trạng thaacutei phức
E1 2998 (kJmol)
Tuy nhiecircn cấu truacutec hc phản ứng biến đổi khocircng nhiều chỉ coacute sự thay đổi ở
nhaacutenh của Ser(200) lagrave rotilde ragraveng (higravenh 315) Như vậy ở giai đoạn nagravey cấu truacutec chỉ
biến đổi mạnh tại phần coacute tương taacutec hoacutea học
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5663
53
Higravenh 3 15 Cấu truacutec hốc phản ứng trong trạng thaacutei tạo phức (neacutet đậm) vagravechưa tạo phức (neacutet mảnh)
324 Cấu truacutec sản phẩm
Cấu truacutec ti ưu khi một phacircn tử choline taacutech ra
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5763
54
Higravenh 3 16 Cấu truacutec phacircn tử choline taacutech ra vagrave nhoacutem OH trecircn Ser(200) bị acetyl hoacutea
Năng lượng tiacutenh đượ c cho cấu truacutec nagravey
ONIOM Total Energy = -84027146076 au
Luacutec nagravey cũng coacute sự biến đổi mạnh bản chất goacutec liecircn kết vagrave độ dagravei liecircn kết
giữa trạng thaacutei phức vagrave trạng thaacutei sản phẩm tại phần coacute tương taacutec hoacutea học Caacutec
nguyecircn tử C(1) C(5) O(7) vagrave O(Ser) nằm trecircn mặt phẳng
Hiệu năng lượng giữa trạng thaacutei sản phẩm vagrave trạng thaacutei phức
E2 -22337 (kJmol)
Từ giaacute trị nagravey ta thấy giai đoạn nagravey tỏa nhiệt mạnh thuận lợi về mặt nhiệt
động học Phacircn tử choline được tạo ra tươ ng đi bền trong hc phản ứng
Cấu truacutec hc phản ứng thay đổi khocircng nhiều so với trạng thaacutei phức chỉ coacute sự
thay đổi ở mạch nhaacutenh của một s aminoaxit phiacutea cửa hc (higravenh 317)
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5863
55
Higravenh 3 17 Hốc phản ứng trong trạng thaacutei sản phẩm (neacutet mảnh) vagravetrạng thaacutei phức (neacutet đậm)
Trong cả 3 trạng thaacutei với sự coacute mặt của cơ chất trong hc phản ứng tuy cấu
truacutec cơ chất thay đổi trong khi cấu truacutec hc phản ứng khocircng biến đổi nhiều nhưng
nhoacutem amin bậc 4 luocircn hướng vagraveo vograveng Trp(84) (higravenh 39 313 316) Kết quả nagravey
phugrave hợp với thực nghiệm [6]
Như vậy dugraveng phươ ng phaacutep ONIOM bước đầu đatilde khảo saacutet được cấu truacutec
của trạng thaacutei acetylcholine trong hc phản ứng khi chưa tạo phức trạng thaacutei phức
giữa acetylcholine vagrave enzyme cấu truacutec sản phẩm choline được tạo ra trong hc
phản ứng vagrave hiệu năng lượng của caacutec trạng thaacutei trecircn Ta coacute thể dugraveng phươ ng phaacutepnagravey để nghiecircn cứu chi tiết hơ n đường phản ứng
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 5963
56
KẾT LUẬN
Từ caacutec kết quả vagrave những nhận xeacutet trong chương 3 ta coacute thể đi đến một vagravei
kết luận sau
bull Sử dụng caacutec cocircng cụ tiacutenh toaacuten AutoDock AutoDock Vina cugraveng với
Gaussian bước đầu đatilde thu được những kết quả phugrave hợp với thực nghiệm về
phản ứng thủy phacircn acetylcholine nhờ enzyme acetylcholinesterase
bull Bằng phương phaacutep QMMM đ khảo saacutet được trạng thaacutei phức giữa enzyme
acetylcholinesterase với acetylcholine vai trograve của enzyme trong phả n ứng
thủy phacircn acetylcholine trong đoacute coacute vai trograve hoacutea học của tacircm xuacutec taacutec vagrave vai
trograve khocircng gian t ĩnh điện của phần cograven lại trong phacircn tử enzyme
bull Dự đoaacuten được sự biến đổi cấu truacutec enzyme cũng như cơ chất trong quaacute trigravenh
phản ứng Những kết quả nagravey đ được xaacutec nhận từ thực nghiệm
Những kết quả thu được đ mở ra hướng nghiecircn cứu chi tiết cơ chế phản ứng
xuacutec taacutec của enzyme acetylcholinesterase từ đoacute coacute thể dự đoaacuten được hoạt tiacutenh ức
chế hay hoạt hoacutea của một s chất khaacutec
Định hướng phaacutet triển đề tagravei
bull Nghiecircn cứu đầy đủ cơ chế phản ứng gồm caacutec bước
o Quaacute trigravenh di chuyển của acetylcholine vagraveo becircn trong hc phản ứng
o Quaacute trigravenh di chuyển từ trạng thaacutei chưa liecircn kết trong hc phản ứng đến
trạng thaacutei tạo phức
o Quaacute trigravenh từ trạng thaacutei phức đến khi tạo thagravenh sản phẩm
Caacutec bước trecircn sẽ được lập đường phản ứng chi tiết tigravem trạng thaacutei chuyển
tiếp năng lượng hoạt hoacutea của mỗi giai đoạn
bull Nghiecircn cứu phản ứng xuacutec taacutec của acetylcholinesterase thuộc caacutec loagravei khaacutec
nhau một mặt lagravem saacuteng tỏ thecircm ảnh hưởng của toagraven bộ phacircn tử enzyme một
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6063
57
mặt chuacute trọng nghiecircn cứu enzyme acetylcholinesterase ở người vigrave đacircy lagrave loại
enzyme rất quan trọng trong cơ thể
bull Từ kết quả về năng lượng thu được ở trecircn ta nhận thấy phương phaacutepQMMM chưa thể giải thiacutech được thỏa đaacuteng hoạt tiacutenh xuacutec taacutec đặc biệt cao
của acetylcholinesterase Do giai đoạn tạo phức của phản ứng được dự đoaacuten
lagrave giai đoạn quan trọng quyết định tc độ phản ứng lại coacute hiệu năng lượng
dương necircn coacute thể tiecircn đoaacuten ảnh hưởng cung cấp nhiệt goacutep phần vagraveo hoạt tiacutenh
xuacutec taacutec lagravem tăng tc độ phản ứn g Để giải thiacutech hiệu ứng nagravey khocircng thể chỉ
xem xeacutet phương tr igravenh Schrodinger ở trạng thaacutei dừng magrave c oacute thể phải xeacutet cả
phương tr igravenh Schrodinger phụ thuộc thời gian Hiện tại chưa coacute cocircng cụ nagraveo
hỗ trợ hướng trecircn necircn cần nghiecircn cứu thecircm
bull Nghiecircn cứu ảnh hưởng của một s chất đến hoạt tiacutenh xuacutec taacutec của
acetylcholinesterase nhằm tigravem ra caacutec chất coacute lợi taacutec động đến hoạt động thần
kinh để khắc phục những hư tổn trong truyền dẫn thần kinh
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6163
58
TAgraveI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Lacircm Ngọc Thiềm (2008) C ơ sở hoacutea học lượng t ử NXB Khoa học vagrave Kỹ
thuật Hagrave Nội
2 Đặng Ứng Vận (2003) Động lực học caacutec phản ứng hoacutea học NXB Giaacuteo dục
Hagrave Nội
3 Đặng Ứng Vận (2007) Giaacuteo trigravenh Hoacutea tin cơ sở NXB Đại học Quc gia Hagrave
Nội
Tiếng Anh
4 Axel D Becke (1992) ldquoDensity-functional thermochemistry III The role of
exact exchangerdquo J Chem Phys 98(7) pp 5648-5652
5 Yves Bourne Palmer Taylor Zoran Radic Pascale Marchot (2003)
ldquoStructural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase
peripheral anionic siterdquo The EMBO Journal 22(1) pp 1-12
6 Jacques-Philippe Colletier et al (2006) ldquoStructural insights into substrate
traffic and inhibition in acetylcholinesteraserdquo The EMBO Journal 25(12)
pp 2746-2756
7 P Hohenberg W Kohn (1964) ldquoInhomogeneous Electron Gasrdquo Physical
Review Vol136(3B) pp B864-B871
8 Wolfram Koch Max C Holthausen A Chemistrsquos Guide to Density
Functional Theory Wiley-VCH Germany
9 Chengteh Lee Weitao Yang Robert G Parr (1988) ldquoDevelopment of the
Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron
densityrdquo Physical Review 37(2) pp 785-789
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6263
59
10 Cheacuterif F Matta (2010) Quantum Biochemistry Wiley-VCH Weinheim
Germany
11 John P Perdew Kieron Burke Matthias Ernzerhof (1996) ldquoGeneralizedGradient Approximation Made Simplerdquo Physical Review Letters 77(18) pp
3865-3868
12 Joel L Sussman et al (1991) ldquoAtomic Structure of Acetylcholinesterase
from Torpedo californica A Prototypic Acetylcholine-binding proteinrdquo
Science 253 pp 872-879
13 O Trott A J Olson (2010) ldquoAutoDock Vina improving the speed and
accuracy of docking with a new scoring function efficient optimization and
multithreadingrdquo Journal of Computational Chemistry 31 pp 455-461
14 Darrin M York Tai-Sung Lee (2009) Multi-scale quantum models for
Biocatalysis Modern Techniques and Applications Springer
Websites
15 httpenwikipediaorgwikiAcetylcholinesterase
16 httpmglscrippseduforum
17 httpwwwrcsborgpdbstaticdop=education_discussionLooking-at-
Structures
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V
7312019 LUẬN VĂN Goacutep phần nghiecircn cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương phaacutep tiacutenh lượng tử
httpslidepdfcomreaderfullluan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 6363
PHỤ LỤC
BẢNG KIacute HIỆU AMINOAXIT TRONG CHUỖI POLYPEPTIT
Alanine Ala A
Arginine Arg R
Asparagine Asn N
Aspartic acid Asp D
Cysteine Cys C
Glutamic acid Glu E
Glutamine Gln Q
Glycine Gly GHistidine His H
Isoleucine Ile I
Leucine Leu L
Lysine Lys K
Methionine Met M
Phenylalanine Phe F
Proline Pro P
Serine Ser SThreonine Thr T
Tryptophan Trp W
Tyrosine Tyr Y
Valine Val V