63
7/31/2019 LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính lượng tử http://slidepdf.com/reader/full/luan-van-gop-phan-nghien-cuu-co-che-phan-ung-ester-bang-phuong 1/63  ĐI HC QU C GIA H NI TRƯNG ĐI HC KHOA HC T NHIÊN  -----------------------  TỐNG THTHU CÚC GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHẢN ỨNG ESTERAZA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH LƯỢNG TỬ  LUN VĂN THC S KHOA HC HÀ NI – 2010

LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính lượng tử

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 2: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 3: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 4: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 5: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 6: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 7: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 8: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 9: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 10: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 11: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 12: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 13: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 14: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 15: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 16: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 17: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 18: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 19: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 20: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 21: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 22: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 23: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 24: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 25: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 26: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 27: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 28: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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

Page 29: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 30: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 31: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 32: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 33: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 34: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 35: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 36: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 37: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 38: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 39: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 40: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 41: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 42: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 43: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 44: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 45: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 46: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 47: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 48: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 49: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 50: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 51: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 52: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 53: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 54: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 55: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 56: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 57: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 58: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 59: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 60: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 61: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 62: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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

Page 63: LUẬN VĂN Góp phần nghiên cứu cơ chế phản ứng ester bằng phương pháp tính 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 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