NGHIÊN CỨU SỰ LIÊN KẾT CỦA CÁC DẪN XUẤT VITAMIN K3 VỚI AMYLOID BETA PEPTID VÀ ĐÁM RỐI CỦA CHÚNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP DOCKING VÀ PHƢƠNG PHÁP MM-PBSA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


TRẦN VĂN THẢO


NGHIÊN CỨU SỰ LIÊN KẾT CỦA CÁC DẪN XUẤT VITAMIN K3
VỚI AMYLOID BETA PEPTID VÀ ĐÁM RỐI CỦA CHÚNG BẰNG
PHƢƠNG PHÁP DOCKING VÀ PHƢƠNG PHÁP MM-PBSA




LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ









Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2012

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


TRẦN VĂN THẢO


NGHIÊN CỨU SỰ LIÊN KẾT CỦA CÁC DẪN XUẤT VITAMIN K3
VỚI AMYLOID BETA PEPTID VÀ ĐÁM RỐI CỦA CHÚNG BẰNG
PHƢƠNG PHÁP DOCKING VÀ PHƢƠNG PHÁP MM-PBSA


Chuyên ngành: Vật Lí Lý thuyết – Vật Lí Toán

Mã số: 604401


LUẬN VĂN THẠC SĨ: VẬT LÍ LÝ THUYẾT - VẬT LÍ TOÁN


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH MAI XUÂN LÝ



Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2012
ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ Vật lý lí thuyết – Vật lý toán có tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU SỰ LIÊN KẾT CỦA CÁC DẪN XUẤT VITAMIN K3 VỚI
AMYLOID BETA PEPTID VÀ ĐÁM RỐI CỦA CHÚNG BẰNG PHƢƠNG
PHÁP DOCKING VÀ PHƢƠNG PHÁP MM-PBSA” là công trình nghiên cứu
của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của GS TSKH Mai Xuân Lý và sự cộng tác của
một số người như trong nội dung luận văn có trình bày chi tiết. Các kết quả và số
liệu thu được trong luận văn là hoàn toàn trung thực.

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2012
Trần Văn Thảo
Học viên cao học khóa 19





iii


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa i
Lời cam đoan ii
Mục lục iii
Danh sách các ký hiệu và các chữ viết tắt vi
Danh sách các bảng viii
Danh sách các hình ix
MỞ ĐẦU 1

Chƣơng 1 – TỔNG QUAN 5
1.1. Một số nghiên cứu về AD 5
1.2. Nguyên nhân AD 7
1.3. Cấu trúc sợi amyloid beta 8
1.4. Cơ chế hình các sợi amyloid beta và mảng amyloid 9
1.5. Vitamin K (VK) và các dẫn xuất Vitamin K3 (VK3) đối với
bệnh AD 11
1.6. Giới thiệu Curcumin 13
1.7. Các phƣơng pháp nghiên cứu 14
1.7.1. Phương pháp docking 14
iv


1.7.2. Phương pháp động lực học phân tử 19
1.7.3. Phương pháp MM – PBSA 22
1.7.4. Các phương pháp thực nghiệm 24
1.8. Phần mềm sử dụng 25
1.9. Các đại lƣợng dùng phân tích kết quả 26
1.9.1. Hệ số tương quan 26
1.9.2. Liên kết hydro và liên kết nhánh phụ 26
Chƣơng 2 - ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 28
2.1. Phối tử 28
2.1.1. Các dẫn xuất VK3 28
2.1.2. Curcumin 29
2.2 Mục tiêu gắn kết 29
2.2.1 Cấu trúc đơn của Aβ42 và Aβ40 trong môi trường nước-
micelle 29
2.2.2 Cấu trúc đơn của Aβ40 trong nước. 30
2.2.3 Cấu trúc sợi nhị xứng 12Aβ
9-40

và

tam xứng 18Aβ
9-40
32

2.2.4 Cấu trúc sợi nhị xứng 5Aβ17-42 32
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 34
3.1. So sánh năng lƣợng liên kết các mục tiêu gắn kết khác nhau 34
3.2. So sánh về năng lƣợng liên kết giữa các dẫn xuất VK3 37
v


3.3. Vùng gắn kết của các mục tiêu gắn kết 38
3.4. Tƣơng quan về năng lƣợng liên kết của curcumin và dẫn
xuất VK3

40
3.4.1. So sánh Curcumin và các dẫn xuất VK3 40
3.4.2. Tương quan năng lượng liên kết giữa Curcumin và các
dẫn xuất VK3 43
3.5. Liên kết Hydro không đóng vai trò quyết định khả năng liên kết 44
3.6. Năng lƣợng tự do liên kết của VK3-9 và VK3-10 thu đƣợc từ
phƣơng pháp MM-PBSA 47
3.7. So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm 51
3.7.1. VK3-9 có khả năng chống lại độc tính gây ra bởi Aβ40 tốt
nhất 51
3.7.2. Khả năng ức chế sự kết tập của các dẫn xuất VK3 52
3.7.3. Các dẫn xuất VK3 làm suy yếu sự sinh ra gốc tự do bắt
nguồn từ Aβ40 54

KẾT LUẬN 56
CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59


vi


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AD: Bệnh Alzheimer
Aβ: Amyloid beta
APP: Gen sản xuất protein tiền chất amyloid
APOE4: Apolipoprotein E4, một yếu tố nguy cơ di truyền của bệnh
Alzheimer
N-APP: Một đoạn ở phía đầu amine của protein APP
DR6: Một thụ thể thần kinh gọi là thụ thể chết 6
AFM: Atomic force microscope - Kính hiển vi lực nguyên tử
TEM: Transmission electron microscopy – Kính hiển vi điện tử truyền
qua
MRI: Magnetic resonance imaging - hình ảnh chụp cộng hưởng Từ
PET: Positron cắt lớp
Aβ40: Monomer Amyloid beta 1-40
Aβ42: Monomer Amyloid beta 1-42
Aβ40-1BA4: PDB ID của Monomer Amyloid beta 40 trong môi trường micelle
Aβ42-1Z0Q: PDB ID của Monomer Amyloid beta 42 trong môi trường micelle
WT-Aβ40: Cấu trúc của Monomer Amyloid beta 40 trong môi trường nước
vii

12Aβ
9-40
: Cấu trúc sợi trưởng thành (mature fibril) nhị xứng của 12 đoạn 9-
40 của Aβ40
18Aβ
9-40
: Cấu trúc sợi trưởng thành tam xứng của 18 đoạn 9-40 của Aβ40
5Aβ
17-42
: Cấu trúc sợi trưởng thành (mature fibril) của 5 đoạn 17-42 của
Aβ42
NMR: Nuclear magnetic resonance – cộng hưởng từ hạt nhân
GLY: Glyxin
ALA: Alanin
VAL: Valin
SER: Serrin
ASP: Aspactic axit
GLU: Glutamic axit
PHE: Phenylalanin
LYS: Lysine
HIS: Histidin
LEU: Leucine
ILE: Isoleucine
TRP: Tryptophan
PRO: Proline
CYS: Cysteine
viii


ASN: Asparagine

GLN: Glutamine
TYR: Tyrosine
ARG: Arginine
MM-PBSA Molecular mechanics - Poisson Boltzmann surface area
MD Molecular dynamics – động lực học phân tử
SC contact Tiếp xúc với nhánh phụ

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Cấu trúc 3D của các dẫn xuất VK3
Bảng 2.1: Các dẫn xuất của VK3 tương ứng với các R
1
và R
2
Bảng 3.1: Năng lượng liên kết kcal.mol
-1
của các dẫn xuất VK3 với 6 mục
tiêu gắn kết
Bảng 3.2: Năng lượng liên kết trung bình kcal.mol
-1
của các dẫn xuất VK3


với các mục tiêu gắn kết Aβ40-1BA4, Aβ42-1Z0Q, WT-Aβ40,
5Aβ
17-
42, 12Aβ9
-40
và 18Aβ
9-40

.
Bảng 3.3: Năng lượng liên kết curcumin với 6 mục tiêu gắn kết thu được
bằng phương pháp docking.
ix


Bảng 3.4: Năng lượng tự do liên kết, tương tác tĩnh điện, tương tác van-der-
walls kcal.mol
-1
của 5 dẫn xuất VK3 với myloid beta 1-40 peptid
thu được bằng phương pháp MM-PBSA.

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Enzime tác động lên APP (protein tiền chất của amyloid) và cắt nó
ra thành các mảnh. Mảnh amyloid beta đóng vai trò quan trọng
trong việc hình thành các mảng lão hóa ở bệnh AD.
Hình 1.2: Cấu trúc sợi amyloid beta. Mũi tên chỉ trục sợi vuông gốc với mặt
phẳng chứa các sợi
Hình 2.1: Curcumin dạng Keto cấu trúc 2D (A); Curcumin dạng enol cấu
trúc 2D (B); Curcumin cấu trúc 3D (C).
Hình 2.2: (A) Cấu trúc đơn của Aβ40 lấy từ ngân hàng protein có ID là
1BA4 và được ký hiệu là Aβ40-1BA4; (B) Cấu trúc đơn của Aβ42
có ID là 1Z0Q và được ký hiệu là Aβ42-1Z0Q.
Hình 2.3: Năm cấu trúc cuộn ngẫu nhiên của Aβ40 theo thứ tự từ trên xuống,
từ trái qua: WT-Aβ40-1, WT-Aβ40-2, WT-Aβ40-3, WT-Aβ40-4
và WT-Aβ40-5. Hình cuối là tổ hợp của 5 cấu trúc.
Hình 2.4: Hai cấu trúc sợi trưởng thành của Aβ40, nhị xứng 12Aβ
9-40
(A) và
tam xứng 18Aβ

9-40
(B). Hai cấu trúc này do nhóm thực nghiệm của
GS Tycko (NIH, USA) cung cấp.
Hình 2.5: Cấu trúc sợi trưởng thành 5Aβ
17-42
lấy từ ngân hàng protein có ID
là 2BEG.
x


Hình 3.1: Biểu đồ năng lượng liên kết của các dẫn xuất VK3 với các mục
tiêu gắn kết. Năng lượng liên kết của 12Aβ
9-40
với các dẫn xuất
VK3 là nhỏ nhất trong các mục tiêu gắn kết, kế tiếp là 18Aβ
9-40

Hình 3.2: Cấu trúc không gian 12Aβ
9-40
, vị trí liên kết nằm sâu hơn so với
18Aβ
9-40
. Vẽ đại diện với phối tử VK3-9 màu đỏ.
Hình 3.3: Cấu trúc không gian 18Aβ
9-40
, vị trí liên kết nằm ngoài biên hơn so
với 12Aβ
9-40
. Vẽ đại diện với phối tử VK3-9 màu đỏ.
Hình 3.4: Biểu đồ tương quan năng lượng liên kết của Aβ40-1BA4, Aβ42-

1Z0Q, 5Aβ
17-42
, 12Aβ
9-40
và 18Aβ
9-40
với mục tiêu gắn kết WT-
Aβ40. Hệ số tương quan lớn nhất R=0.91 (Aβ40-1BA4), nhỏ nhất
R=0.08 (5Aβ
17-42
). Năng lượng liên kết thu được bằng phương
pháp docking.
Hình 3.5: Vùng gắn kết Aβ40-1BA4, các dẫn xuất có độ phân tán rất nhỏ.
Chỉ vẽ đại diện hai phối tử VK221 màu đỏ và VK3-1 màu xanh.
Hình 3.6: Tương tự như hình 3.5 nhưng cho mục tiêu gắn kết Aβ40-1Z0Q.
Hình 3.7: Vùng gắn kết WT-Aβ40-5, có 4 vị trí liên kết chính, các dẫn xuất
VK3 chủ yếu tập trung tại 4 vị trí chính này.
Hình 3.8: Vùng gắn kết 5Aβ
17-42
, các dẫn xuất tập trung tại vị trí biên có độ
phân tán nhỏ. Đỏ VK221, xanh VK3-1.
Hình 3.9: Vùng gắn kết 12Aβ
9-40 .
Các dẫn xuất VK3 tập trung tại một vị trí,
hầu như không có độ phân tán. Vẽ tượng trưng hai phối tử, VK221
màu đỏ và VK3-1 màu xanh.

xi

Hình 3.10: Vùng gắn kết 18Aβ
9-40
, các dẫn xuất tập trung vị trí biên có độ
phân tán nhỏ giống hình 3.9.
Hình 3.11: Vùng gắn kết Curcumin không khác với vùng gắn kết của các dẫn
xuất VK3 khi liên kết với mục tiêu gắn kết Aβ40-1BA4. Curcumin
có màu xanh lá cây, VK3-10 đại diện dẫn xuất VK3 có màu vàng.
Hình 3.12: Tương tự như hình 3.11 vùng gắn kết Curcumin hầu như không
khác nhau với vùng gắn kết của các dẫn xuất VK3 khi liên kết với
mục tiêu gắn kết Aβ42-1Z0Q. Curcumin có màu xanh lá cây,
VK3-10 đại diện dẫn xuất VK3 có màu vàng.
Hình 3.13: Vùng tập trung nhiều Curcumin và vùng tập trung nhiều các dẫn
xuất VK3 khi liên kết với mục tiêu gắn kết WT-Aβ40-5 là gần như
nhau. Curcumin có màu xanh lá cây, VK3-10 đại diện dẫn xuất
VK3 có màu vàng.
Hình 3.14: Vùng gắn kết Curccumin không khác so với vùng gắn kết của các
dẫn xuất VK3 đối với mục tiêu gắn kết 5Aβ
17-42
. Curcumin có màu
xanh lá cây, VK3-10 đại diện dẫn xuất VK3 có màu vàng.
Hình 3.15: Tương tự các hình 3.11 – 3.14 vùng gắn kết của curcumin hầu như
không khác so với vùng gắn kết của các dẫn xuất VK3 khi liên kết
với mục tiêu gắn kết 12Aβ
9-40
. Curcumin có màu xanh lá cây,
VK3-10 đại diện dẫn xuất VK3 có màu vàng.
Hình 3.16: Vùng gắn kết Curcumin so với vùng gắn kết các dẫn xuất VK3 đối
với mục tiêu gắn kết 18Aβ
9-40
khác nhau không nhiều. Curcumin

có màu xanh lá cây, VK3-10 đại diện dẫn xuất VK3 có màu vàng.

xii


Hình 3.17: Biểu đồ tương quan năng lượng liên kết VK3-1, VK3-2, VK3-3,
VK3-4 với Curcumin; hệ số tương quan của VK3-4 với Curcumin
rất lớn (R=0.96).
Hình 3.18: Biểu đồ tương quan năng lượng liên kết của VK3-5, VK3-6, VK3-
8, VK3-9 với Curcumin; hệ số tương quan của VK3-5 là lớn nhất
(R=0.96).
Hình 3.19: Biểu đồ tương quan năng lượng liên kết của VK3-10, VK-199,
VK-221, VK-231 với Curcumin; trong đó hệ số tương quan của
VK-221 với Curcumin nhỏ nhất trong 15 dẫn xuất VK3 (R=0.73).
Hình 3.20: Biểu đồ tương quan năng lượng liên kết của VK-232-2d, VK-233,
VK-224 với Curcumin; hệ số tương quan của VK-233 với
Curcumin có độ lớn bằng với VK3-4 và VK3-5 với Curcumin
(R=0.96).
Hình 3.21: Liên kết hydro của VK3-4 với WT-Aβ40-5; trên hình có chỉ ra hai
liên kết hydro tạo bởi VK3-4 với hai acid amin GLN15 và GLU11
của WT-Aβ40-5.
Hình 3.22: Liên kết hydro của VK3-5 với Aβ40; trên hình có chỉ ra hai liên
kết hydro tạo bởi VK3-5 với acid amin VAL40 của WT-Aβ40-5
Hình 3.23: Liên kết hydro của VK3-221 với Aβ40; trên hình có chỉ ra ba liên
kết hydro tạo bởi VK3-221 và ba acid amin ASN27, ALA30,
ILE31 của WT-Aβ40-5.
Hình 3.24: Liên kết hydro của VK3-10 với Aβ40; trên hình có chỉ ra hai liên
kết hydro tạo bởi VK3-10 và hai acid amin ALA30, ASN27 của
WT-Aβ40-5.
xiii

Hình 3.25: Liên kết nhánh phụ của VK3-4 với Aβ40; trên hình có chỉ ra 6 liên
kết nhánh phụ được tạo bởi VK3-4 với 6 acid amin PHE19,
PHE20, GLU11, GLN15, VAL12, LYS16 của WT-Aβ40-5.
Hình 3.26: Liên kết nhánh phụ của VK3-5 với Aβ40; trên hình có chỉ ra 12
liên kết nhánh phụ tạo bởi VK3-5 và 12 acid amin GLY38,
GLY37, VAL40, VAL36, PHE20, GLY9, GLN15, SER8, TYR10,
GLU11, HIE13, VAL12 của WT-Aβ40-5.
Hình 3.27: Liên kết nhánh phụ của VK3-221 với Aβ40;trên hình có chỉ ra 7
liên kết nhánh phụ tạo bởi VK3-221 và 7 acid amin ILE31,
GLY37, GLY38,ALA30,PHE4, GLY29, ASN27 của WT-Aβ40-5.
Hình 3.28: Liên kết nhánh phụ của VK3-10 với Aβ40; trên hình có chỉ ra 8
liên kết nhánh phụ tạo bởi VK3-10 và 8 acid amin ILE31, GlY37,
ALA30, GLY38, GLY29, PHE4, ASN27, HIE6 của WT-Aβ40-5.
Hình 3.29: Peptid Aβ40 và phối

tử VK3-9 trong hộp nước hình lập phương
dùng để chạy mô phỏng MD. Cạnh của hình này dài 5.2 nm. Có
khoảng 3700 phân tử nước. Các hình cầu màu xanh là 3 ion Na
+
được thêm vào để trung hòa điện tích của hệ.
Hính 3.30: Sự biến đổi theo thời gian của năng lượng tương tác của Aβ40
peptid và VK3-9. Mũi tên chỉ thời điểm hệ đạt trạng thái cân bằng.
Kết quả thu được cho 6 quỹ đạo.
Hình 3.31: Sự biến đổi theo thời gian của năng lượng tương tác của Aβ1-40
peptid và VK3-10. Mũi tên chỉ thời điểm hệ đạt trạng thái cân
bằng. Kết quả thu được cho 4 quỹ đạo.
Hình 3.32: Hình (A) cho thấy khả năng tồn tại của tế bào quan hệ với độc tính
gây bởi Aβ40 được đánh giá bằng WST-1 cho các trường hợp: chỉ

xiv


có 25 μM Aβ40 trong 24 giờ, có 100ng/ml từng dẫn xuất VK3
khác nhau cộng với 25 μM Aβ40 trong 24 giờ, kết quả cho thấy
chỉ có VK3-9 có khả năng bảo vệ tế bào chống lại độc tính của
Aβ40. Hình (B) cho thấy tương quan giữa khả năng tồn tại của tế
bào và năng lượng liên kết các dẫn xuất VK3 với Aβ40, hệ số
tương quan nhỏ R = 0.13.
Hình 3.33: Hình (A) biểu diễn sự kết tập của Aβ40 được giám sát bằng
Thioflavin-T, tỉ lệ cường độ huỳnh quang ThT ứng với các mẫu
chứa từng dẫn xuất VK3 + 25 μM Aβ40; và mẫu chỉ có 25 μM
Aβ40; các dẫn xuất VK3-2, VK3-6, VK3-8, VK3-9, VK3-10, 199,
221, 232-2d và 224 có khả năng làm giảm kết tập Aβ40. Hình (B)
diễn tả sự tương quan giữa kết tập của Aβ40 thông qua tỉ lệ ThT
và năng lượng liên kết các dẫn xuất VK3, hệ số tương quan khá
lớn R = 0.88.
Hình 3.34: Hình (A) chỉ ra đặt tính sinh gốc tự do được phân tích bằng cách
sử dụng khảo sát dichlorofluoresein diacetate (DCFH-DA). 25 μM
Aβ40 được ủ với 100 ng/ml các dẫn xuất VK3, rõ ràng VK3-9 là
chất ức chế sự sinh ra góc tự do của Aβ40. Hình (B) cho thấy sự
tương quan giữa quá trình sinh góc tự do và năng lượng liên kết
của các dẫn xuất VK3 với Aβ40 rất kém, hệ số tương quan âm và
rất nhỏ R = -0.0014.
1




MỞ ĐẦU

Bệnh Alzheimer (AD) hay đơn giản là Alzheimer là một chứng mất trí phổ
biến nhất. Năm 1901, lần đầu tiên bác sĩ tâm thần và thần kinh học người Đức Alois
Alzheimer trình bày một trường hợp của bệnh nhân tên Auguste D, 50 tuổi, bị mất
trí.
[55]
Năm năm sau (1906), ông đã chính thức công bố về căn bệnh này như căn
bệnh gây thoái hóa và gây tử vong nhưng không chữa được nó. Từ năm 1906 căn
bệnh này được đặt theo tên ông. Những thập kỷ đầu thế kỷ 20, chữ "bệnh
Alzheimer" thường chỉ dùng để định bệnh cho những người mất trí tuổi 45 đến 65
("bị lẫn trước khi già", "lẫn sớm"). Những người lớn tuổi hơn mà bị mất trí được coi
như là chuyện thông thường, do tuổi cao làm não bộ tê cứng. Nhưng trong những
năm 1970 – 1985 khoa học nhận thấy người mất trí ở các lứa tuổi khác nhau lại có
triệu chứng lâm sàng giống nhau, nên kết luận AD có ở nhiều lứa tuổi.
[17]
Bệnh AD
thường xuất hiện ở người trên 65 tuổi, dạng AD sớm hơn 45 tuổi thường không phổ
biến.
[17]
Năm 2006 có 26,6 triệu người mắc AD trên toàn thế giới. Dự đoán tỉ lệ mắc
AD trên thế giới sẽ là 1 người/85 người vào năm 2050.
Mặc dù các ca bệnh AD có đặc điểm riêng biệt đối với mỗi cá nhân, tuy
nhiên có nhiều triệu chứng tương đồng xuất hiện sớm. Khi quan sát thường nhầm
lẫn với các bệnh “liên quan đến tuổi già”, hoặc biểu hiện của stress.
[100]
Trong giai
đoạn đầu, triệu chứng phổ biến nhất được công nhận là không có khả năng để nhớ
được việc vừa xảy ra. Khi nghi ngờ mắc bệnh AD, chẩn đoán thường được thực
hiện bằng cách đánh giá hành vi và kiểm tra nhận thức, có thể kèm theo chụp cắt
lớp não .

2


Khi bệnh tiến triển, các triệu chứng bao gồm sự nhầm lẫn, khó chịu, thay đổi
tâm trạng, mất khả năng phân tích ngôn ngữ, mất trí nhớ dài hạn, suy giảm các giác
quan. Dần dần, cơ thể sẽ mất đi một số chức năng, cuối cùng dẫn đến cái chết. Bệnh
AD có thể phát triển tiềm tàng trong 1 thời gian dài trước khi xuất hiện những triệu
chứng có thể phát hiện được bệnh. Thông thường khi các triệu chứng này bộc lộ ,
thì người bệnh chỉ có thể sống được khoảng 7 năm, dưới 3% bệnh nhân sống thọ
thêm 14 năm sau khi phát hiện bệnh.
[100]
Các phương pháp điều trị hiện tại chỉ giúp giảm một phần nhỏ triệu chứng
bệnh. Tính tới thời điểm 2008, đã có hơn 500 thử nghiệm lâm sàng nhằm tìm ra
phương pháp chữa trị bệnh AD, nhưng vẫn chưa có kết quả nào khả quan trong các
phương pháp đã được thử nghiệm.
[64]

Người bệnh AD phải được chăm sóc bởi những người thân trong gia đình.
Đây quả thực là những áp lực rất lớn về mặt xã hội, tâm lý, sức khỏe, kinh tế đối
với cuộc sống của những người chăm sóc. Ở các nước phát triển, AD là một trong
những bệnh tốn kém nhất cho xã hội.
[4]
Tổ chức Y tế Thế giới ước tính rằng trong năm 2005 có khoảng 0,379%
người trên thế giới mắc bệnh, và tỷ lệ sẽ tăng lên 0,441% vào năm 2015 và 0,556%
vào năm 2030. Các nghiên cứu khác cũng cho kết luận tương tự.
[4]

Tỷ lệ người mắc bệnh AD sau 65 tuổi
[4]

Tuổi
Số ca nhiễm bệnh trong 1000 ngƣời/1 năm
65 - 69
3
70 - 74
6
75 - 79
9
80 - 84
23
85 - 89
40
90 -
69
3


Luận văn này nghiên cứu khả năng của một số hợp chất trong việc ức chế
bệnh AD, cụ thể là nghiên cứu 15 dẫn xuất của Vitamin K3 như được trình bày ở
các chương sau. Với những mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau:
- Dùng phương pháp docking và MM-PBSA để tính năng lương liên kết
của các dẫn xuất VK3 với các cấu trúc đơn của amyloid peptid Aβ40, Aβ42 và các
cấu trúc sợi của chúng. Các kết quả thu được cho phép dự đoán về khả năng phá
hủy liên kết các đám rối Amyloid β peptid bởi các dẫn xuất VK3. Từ đó suy ra khả
năng của các dẫn xuất VK3 trong việc chữa trị bệnh AD.
- Các tính toán bằng phương pháp MM-PBSA và docking cho phép làm rõ
đóng góp của các loại tương tác như tương tác van der Waal, tĩnh điện, liên kết
hydro và liên kết nhánh phụ vào năng lương liên kết giữa các phối tử và mục tiêu
gắn kết. Từ đó chỉ ra thành phần năng lượng nào đóng vai trò then chốt giúp các
dẫn xuất VK3 gắn kết với các mục tiêu. Cũng bằng phương pháp MM-PBSA thu

được năng lượng liên kết của dẫn xuất VK3 với đơn thể Aβ40 để bổ sung cho
phương pháp docking.
- Cuối cùng trình bày một số kết quả thực nghiệm của nhóm Giáo sư Y-C
Chen và so sánh với các kết quả tính toán lý thuyết.
Đề tài có ý nghĩa khoa học trong việc ứng dụng mô hình mô tả phân tử
docking và phương pháp cơ học phân tử định hướng tìm kiếm các chất có khả năng
gắn kết với các thụ thể liên quan đến bệnh AD từ đó tìm kiếm chất khởi nguồn cho
quá trình phát triển thuốc tiếp theo chống bệnh AD.
Luận văn bao gồm ba chương:
Chƣơng 1 – Tổng quan
Trình bày về nguyên nhân bệnh AD và chỉ tập trung vào nguyên nhân bắt
nguồn từ sự kết tập các amyloid beta peptid. Nêu sơ lược các nghiên cứu về bệnh
4


AD và tình hình quan tâm của cộng đồng khoa học về căn bệnh này. Trình bày cơ
chế hình thành các đám rối amyloid beta peptid. Giới thiệu về Vitamin K và các dẫn
xuất Vitamin K3 đối với bệnh AD trong những nghiên cứu gần đây. Cuối cùng là
trình bày các phương pháp và các phần mềm tương ứng trong nghiên cứu.
Chƣơng 2 – Đối tƣợng nghiên cứu
Trình bày chi tiết cách thức tổng hợp mười lăm dẫn xuất Vitamin K3 trên
máy tính dùng làm phối tử trong nghiên cứu, bên cạnh đó để làm đối chứng cho các
dẫn xuất của VK3, Curcumin được tổng hợp để nghiên cứu thêm. Liệt kê mười cấu
trúc amyloid beta peptid dùng làm mục tiêu gắn kết, nêu rõ nguồn góc của một số
mục tiêu có sẵn và nêu cách tổng hợp bằng mô phỏng các mục tiêu chưa có sẵn như
amyloid beta 40 peptid trong môi trường nước.
Chƣơng 3 – Kết quả và nhận xét
Có bảy nội dung:
1. So sánh năng lượng liên kết của các mục tiêu gắn kết khác nhau.
2. So sánh về năng lượng liên kết giữa các dẫn xuất VK3.

3. Vùng gắn kết của các mục tiêu gắn kết
4. Tương quan về năng lượng liên kết của Curcumin và các dẫn xuất VK3

5. Liên kết Hydro không đóng vai trò quyết định khả năng liên kết
6. Năng lương tự do liên kết thu được từ phương pháp MM-PBSA.
7. So sánh kết quả lý thuyết và kết quả thực nghiệm


5





Chƣơng 1 - TỔNG QUAN

1.1 Một số nghiên cứu về AD
Những nghiên cứu cho thấy căn bệnh này có liên quan với các mảng và đám
rối trong não.
[91]
Vào năm 1991 người ta đưa ra giả thuyết amyloid cho rằng sự tích
tụ của peptid amyloid beta (Aβ) là nguyên nhân cơ bản của bệnh.
[30][11]
Một cơ sở
ủng hộ giả thuyết này là do vị trí của gen sản xuất protein tiền chất amyloid (APP)
nằm trên nhiễm sắc thể 21, trong khi những người mắc hội chứng Down (có 3
nhiễm sắc thể 21) tức là có thêm 1 phiên bản của gen APP thì hầu hết đều mắc bệnh
AD ở độ tuổi trên 40.
[8][53]
Đồng thời, đột biến gen APOE4 (apolipoprotein E4), một

yếu tố nguy cơ di truyền của bệnh AD, gây ra việc tích tụ quá nhiều amyloid peptid
trong não trước khi có các biểu hiện của bệnh AD xuất hiện. Vì vậy sự tích tụ
peptid Aβ luôn có trước các biểu hiện bệnh AD trên lâm sàng. Một bằng chứng nữa
là ở chuột bị biến đổi gen, biểu hiện một dạng đột biến của gen APP giống như ở
người, đã cho thấy có các đám rối sợi amyloid và các bệnh lý ở não của chuột tương
tự trong bệnh AD ở người như sự suy giảm khả năng định hướng về không gian.
[71]
Một nghiên cứu vào năm 2004 cho thấy rằng sự tích tụ các mảng amyloid
không tương quan nhiều với việc mất các nơ-ron.
[80]
Nghiên cứu này hỗ trợ cho giả
thuyết Tau là các thể bất thường của protein Tau khởi đầu cho chuỗi phản ứng gây
bệnh.
[56]
Trong mô hình này, các protein Tau bị photphorylate hóa quá nhiều sẽ bắt
cặp với các sợi Tau khác. Cuối cùng, chúng hình thành các đám rối sợi thần
kinh (neurofibrillary tangles) bên trong thân tế bào thần kinh.
[27]
Khi điều đó xảy ra,
6


các vi ống tế bào (microtubule - là thành phần cấu tạo của khung xương tế bào) bị
tan rã, làm hỏng hệ thống vận chuyển của nơ ron.
[38]
Điều này đầu tiên sẽ làm hỏng
các chức năng liên lạc hóa sinh giữa các nơ-ron và sau đó gây chết tế bào.
[21]

Trong năm 2009, lý thuyết amyloid đã được cập nhật rằng một họ hàng gần

của protein amyloid beta (không nhất thiết phải là chính amyloid beta) có thể là thủ
phạm chính trong căn bệnh này. Lý thuyết này cho rằng một cơ chế liên quan với
amyloid - có tác dụng cắt bỏ bớt các cầu nối thần kinh trong não bộ ở giai đoạn phát
triển của trẻ con - có thể bị kích hoạt bởi quá trình lão hóa sau này, làm mất dần tế
bào thần kinh ở bệnh AD.
[65]
N-APP, một đoạn ở phía đầu amine của protein APP,
nằm cạnh đoạn amyloid beta và được cắt bỏ khỏi APP bởi cùng 1 loại enzyme.
N-APP kích hoạt chuỗi phản ứng tự hủy bằng cách bám vào một thụ thể thần kinh
gọi là thụ thể chết 6 (DR6, hay còn gọi là TNFRSF21).
[65]
DR6 được biểu hiện
nhiều ở những vùng não bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi bệnh AD, vì vậy rất có thể
chuỗi phản ứng N-APP/DR6 của quá trình lão hóa của não đã bị kích hoạt để gây
bệnh. Trong mô hình này, amyloid beta đóng vai trò bổ sung, bằng cách làm giảm
chức năng xy-náp.

Hình 1.1: Enzime tác động lên APP (protein tiền chất của amyloid) và cắt nó ra thành các
mảnh. Mảnh amyloid beta đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các mảng lão hóa
ở bệnh AD.


7


1.2 Nguyên nhân bệnh AD
Có hai giả thuyết về hệnh AD. Giả thuyết thứ nhất liên quan đến sự tích tụ
các protein amyloid beta. Giả thuyết thứ hai là bệnh này được gây ra vì protein Tau
cuộn sai (misfolding) trong não.
[31]

Theo giả thuyết thứ nhất, các mảng được tạo thành từ một loại peptid nhỏ,
dài từ 39–43 acid amin, gọi là amyloid beta (hay là A-beta hoặc Aβ). Amyloid beta
là một đoạn của một loại protein lớn hơn gọi là protein tiền chất của amyloid (APP)
(xem hình 1.1), một protein xuyên màng (transmembrane protein) nằm xuyên qua
màng tế bào của nơ-ron. APP rất quan trọng cho quá trình phát triển, tồn tại và sửa
chữa của nơ-ron.
[72][92]
Ở bệnh AD, quá trình APP bị chia thành các phần nhỏ hơn
bởi enzym trong quá trình phân hủy (proteolysis)
[32]
chưa được sáng tỏ. Một trong
các đoạn đó tạo ra các sợi amyloid beta, và tạo nên những cụm tích tụ bên ngoài
nơ-ron dưới dạng dày đặc gọi là mảng lão hóa (senile plaques).
[5][66]
Theo giả thuyết thứ hai, AD còn được coi là bệnh do protein Tau
(tauopathy), bệnh do sự tích tụ bất thường của protein Tau. Mỗi tế bào nơ-ron đều
có một bộ khung xương tế bào, một cấu trúc đỡ bên trong góp phần tạo nên cấu trúc
tế bào gọi là vi ống (microtubule). Các vi ống này hoạt động như các loại đường
ống dẫn cho các chất dinh dưỡng và phân tử từ thân tế bào đến đầu kia của
trục axon và quay ngược trở lại. Một protein gọi là Tau giúp ổn định cấu trúc vi ống
khi được photphorylat hóa, và vì thế được gọi là protein liên hệ với vi ống. Ở bệnh
AD, Tau bị thay đổi về mặt hóa học, trở nên photphorylat hóa quá nhiều; nó bắt cặp
với các sợi khác, tạo thành các đám rối sợi thần kinh và làm tan rã hệ thống vận
chuyển của nơ-ron.
[33]
Trong phạm vi luận văn này chúng tôi chỉ đề cập tới giả
thuyết liên quan tới quá trình ngưng tụ của các amyloid beta peptid.

8


1.3 Cấu trúc sợi amyloid beta
Từ kết quả thực nghiệm, các sợi amyloid đều có chung cấu trúc tờ β ngang
(cross-β sheet structure) ở vùng lõi với các dãy β nằm song song và vuông góc với
trục sợi (xem hình 1.2). Các tương tác lặp đi lặp lại giữa các nhóm kỵ nước và phân
cực dọc theo theo trục sợi
[73]
. Đa số các sợi amyloid có vùng lõi bao gồm từ hai tới
bốn tờ β tương tác gần với nhau. Các tờ β này ít bị xoắn hơn nhiều so với các tờ β
trong các protein dạng cầu.

Hình 1.2: Cấu trúc sợi amyloid beta. Mũi tên chỉ trục sợi vuông góc với mặt phẳng chứa
các sợi.
Bên cạnh các đặt điểm chung, cấu trúc sợi amyloid rất khác nhau về chi tiết,
nguyên nhân là do ảnh hưởng của các nhánh phụ (side chain) trong từng trường hợp
cụ thể. Các sợi amyloid cũng là những trạng thái bền vững nên chúng thường là
những cấu trúc có năng lượng thấp nhất, hoặc là cấu trúc dễ đạt đến về mặt động
học. Do vậy, tương tác giữa các nhánh phụ với nhau và giữa các nhánh phụ với môi
trường sẽ có vai trò chủ yếu trong việc xác định các biến thể của cấu trúc sợi, còn
những tương tác do chuỗi chính chỉ xác định khung chung cho các biến thể đó.
Những sự khác biệt đáng kể thể hiện ở số tờ β trong một sợi đơn vị, chiều dài của
các dãy β với sự sắp xếp song song hoặc phản song song của chúng trong tờ từng β,
cộng với đặt điểm của cấu trúc các phần không nằm trong vùng lõi.
Khoảng cách của các tờ β chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, đặt biệt là sự sắp
xếp của các nhánh phụ trong vùng lõi. Tỉ lệ số acid amin của chuỗi polypeptid tham
9

gia vào vùng lõi của sợi cũng biến đổi trong một phạm vi rất rộng
[26]
. Sự đa dạng
về hình thái cấu trúc còn thể hiện ở chỗ các biến thể xuất hiện ngay cả với các sợi
amyloid hình thành từ cùng một peptid hay protein, các biến thể hình thái này là hệ
quả của tính không đồng nhất trong cấu trúc phân tử của sợi amyloid, cụ thể là sự
sắp xếp các chuỗi polypeptid trong từng sợi đối với mỗi điều kiện cụ thể.
Theo những kết quả trên, mỗi protein có thể tham gia vào dạng sợi với một
phổ cấu trúc rất khác nhau, và các yếu tố động học có vai trò quyết định trong việc
chọn lựa cấu trúc xuất hiện trong sợi amyloid với từng trường hợp cụ thể. Như vậy,
có sự tương phản giữa sự đa dạng của các khả năng hình thành sợi amyloid và quá
trình cuộn về một trạng thái tự nhiên duy nhất của protein.
1.4 Cơ chế hình thành các sợi amyloid và mảng amyloid
Quá trình hình thành sợi amyloid diễn ra theo một trình tự chung và chỉ một
vài cấu hình quan trọng đã được quan sát thấy trong thực nghiệm
[23]
. Các sợi
amyloid là kết quả của quá trình tập hợp tự phát của các protein hay peptid (được
gọi chung là các đơn phân hay monomer). Ban đầu các đơn phân có thể ở vào trạng
thái giãn hoàn toàn, giãn một phần hay trạng thái tự nhiên và có thể chuyển hóa qua
lại giữa các trạng thái này. Sau đó, các protein nhanh chóng tập hợp lại thành các
kết tập gọi là các oligomer (tập hợp protein hay peptid với số lượng nhỏ và chưa có
dạng sợi) mất trật tự. Các oligomer tập hợp từ các protein ở trạng thái tự nhiên
mang dáng dấp của trạng thái này. Ngoài ra ở giai đoạn này, các protein cũng có thể
tập hợp thành những oligomer hay sợi có chức năng với đặt trưng khác xa so với
các sợi amyloid. Tiếp theo các oligomer và một số cấu trúc có chức năng sẽ phân rã
hoặc kết hợp với nhau rồi xếp lại để tạo thành các protofibril, những oligomer lớn
hơn có cấu trúc trật tự đặt trưng của trạng thái sợi với số lượng tờ β đáng kể. Các
quan sát với AFM và TEM cho thấy các protofibril thường có dạng các hạt cầu nhỏ
hoặc chuỗi các hạt cầu, hoặc có dạng khuyên tạo bởi chuỗi các hạt cầu đó. Các

protofibril sau đó sẽ kết hợp với nhau hoặc tiếp nhận các đơn phân khác để tạo nên
sợi amyloid.
10


Các khảo sát chi tiết đã dẫn đến kết luận rằng sự hình thành các sợi amyloid
mang nhiều đặt điểm của một cơ chế tạo nhân (nucleated growth). Quá trình các
protein hay peptid chuyển tập hợp về cấu trúc sợi được đặt trưng bởi một pha chậm
(lag phase) và một pha nhanh nối tiếp sau đó.
[61][74][81][98]
Khoảng thời gian ứng với
pha chậm được xem là khoàng thời gian nhân được hình thành. Sau đó sợi amyloid
sẽ được cấu trúc nhanh chóng nhờ sự kết hợp của các aligomer hoặc các đơn phân
vào nhân.
Cơ chế tạo nhân đã được khảo sát chi tiết trên nhiều hệ cả bằng lý thuyết và
thực nghiệm. Các nghiên cứu cho thấy các cấu trúc được thêm vào một mẫu protein
đang trong quá trình tập hợp sẽ làm pha chậm bị thu ngắn lại cho đến khi bị khử
hẳn. Điều này không có nghĩa là cơ chế tạo nhân bị phá vỡ, mà có nghĩa là khoảng
thời gian cần để sợi phát triển theo là rất dài so với quá trình tạo nhân.
Hiện tượng pha chậm bị rút ngắn do sự thêm vào các cấu trúc khác được giải
thích bằng sự tồn tại của các số lượng phân tử tới hạn trong nhân. Pha chậm xuất
hiện trong quá trình hình thành sợi amyloid (cũng là sự tạo nhân) phản ánh giai
đoạn các oligomer hoặc các protofibril phân rã để sau đó kết hợp lại thành các cấu
trúc có trật tự hơn. Bình thường là sự giảm enthalpy do quá trình tập hợp sẽ bù trừ
cho sự giảm entropy cấu hình. Khi số lượng phân tử tăng lên, sự giảm enthalpy theo
quá trình tập hợp sẽ là nhân tố chủ đạo và do đó đẩy nhanh quá trình tập hợp và rút
ngắn pha chậm. Khi giá trị giới hạn được đạt đến, các cấu trúc được thêm vào sẽ có
xu hướng kết hợp ngay với oligomer với số lượng phân tử tới hạn để hình thành sợi
amyloid thay vì làm cho các oligomer bị phân rã, và do đó pha chậm bị loại trừ.
[28]

Ngoài ra cũng có một số cơ chế khác, cơ chế sợi đồng thời
[39]
được đưa ra để
giải thích quá trình hình thành sợi amyloid mà không cần đến bước tạo nhân. Tuy
nhiên, cơ chế tạo nhân là cơ chế được các nhà khoa học chấp nhận nhiều nhất hiện
nay.
[1]