Nghiên cứu cơ chế phản ứng giữa một số kháng sinh β-Lactam và Enzym PBP2a bằng các phương pháp hóa tin

1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI














-LACTAM VÀ ENZYM PBP2a 
CÁC 






 

 2012


2


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI










-LACTAM VÀ PBP2a 
PHÁP HÓA TIN

Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí
Mã số: 62 44 31 01



 

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. GS.TSKH. ĐẶNG ỨNG VẬN
2. GS.TS. TRƯƠNG NGUYỆN THÀNH



 2012
MỤC LỤC

STT
NỘI DUNG
TRANG

DANH MỤC CÁC BẢNG
05

DANH MỤC CÁC HÌNH
06

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
09

MỞ ĐẨU
11

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
14

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƢƠNG
PHÁP TÍNH
25
2.1
MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC CƠ HỌC PHÂN TỬ (MM/MD)
25
2.1.1
Mẫu cơ học phân tử (M/M)
26
2.1.2
Phƣơng pháp động lực phân tử MD
38
2.2.2
Cơ cở của phƣơng pháp tính gần đúng lƣợng tử
52
2.3
PHƢƠNG PHÁP QM/MM (HYBRID QUANTUM
MECHANICS/MOLECULAR MECHANICS)
65
2.3.1
Phƣơng pháp lai hóa QM/MM trong ONIOM
79

CHƢƠNG 3: CHUẨN BỊ INPUT VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN
NGHIÊN CỨU CHO HỆ CỤ THỂ
89
3.1

ĐIỀU KIỆN TÍNH VỚI PHƢƠNG PHÁP MM/MD
89
3.1.1
Nghiên cứu đặc điểm của tâm hoạt động và khe hẹp
gần tâm
89
3.1.2
Nghiên cứu tính hoạt động của protein và phối tử
94
3.1.3
Tính năng lƣợng tự do gắn kết của methicillin và
nitrocefin lên các cấu trúc khác nhau của protein
PBP2a
96
3.2
ĐIỀU KIỆN TÍNH VỚI PHƢƠNG PHÁP QM/MM
98
(ONIOM)
3.2.1
Các mô hình tâm hoạt hóa
98
3.2.2
Các mô hình enzym
99

CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
103
4.1
KẾT QUẢ TÍNH MM/ND
103

4.1.1
Về sự tồn tại của khe hẹp gần tâm hoạt động
SER403 của PBP2a
103
4.1.2
Về tính linh động của phối tử và các axit amin vùng
tâm hoạt động trong các phức axyl và phức
michaelis của methicillin(MC1) và nitrocefin (NC1)
với PBP2a
108
4.1.3
Năng lƣợng tự do gắn kết nitrocefin và methicillin
lên các cấu trúc khác nhau của PBP2a
114
4.2
KẾT QUẢ TÍNH QM/MM
119
4.2.1
Đƣờng năng lƣợng phản ứng của các mô hình tâm
hoạt hóa

4.2.2
Đƣờng năng lƣợng phản ứng của các mô hình
protein
126
4.2.3
Lý do cho sự khác biệt trong hoạt tính giữa MC1 và
NC1
130
4.2.4

Thảo luận
134

KẾT LUẬN
136

TÀI LIÊU THAM KHẢO
140

PHỤ LỤC
154

5


STT


Trang
1


michaelis tính toán trên

94
2

     
2
     

     
3
    
meticillin và nitrocefin
103
3

            
(kJ.mol
-1
)
104
4





111
5


/mol)

118
6

G


121
7


meticillin
122
8


nitrocefin
122
9


SER403
123

6



STT

TÊN HÌNH
Trang
1
Hình 1.1
 meticillin- kháng Staphylococcus aureus

5

2
Hình 1.2

           
protein data bank
6
3
Hình 1.3
 --
lactam

7
4
Hình 1.4

-

11
5
Hình 1.5


12
6
Hình 2.1

:


16

7
Hình 2.2

S khác bit gia th ng nét lin) và th u hoà
ng nét ri)

17
8

Hình 2.3




18


9
Hình 2.4

-

1A2B
và r
2A1B



20

10
Hình 2.5



28

11
Hình 2.6



32

7


12
Hình 2.7

          
 Nghê 

55
13
Hình 2.8
án ONIOM
73
14
Hình 3.1

          
-lactam
79

15
Hình 3.2
xit amin 594-603
các axit amin )

81
16
Hình 3.3



82
17
Hình 3.4

 a meticil c ax  



83
18
Hình 3.5


89

19
Hình 3.6

  -        
PDB là 1MWU)

90
20
Hình 4.1


          

Ala601
93
21
Hình 4.2


 

3

apo
98
22
Hình 4.3
S sai lch ca khoa các axit
100
8

amin trong xo     th u tiên bên trái
hình trên) và np g th k tip tính t trái qua
ca hình trên) và gia xou N và np g
23
Hình 4.4
     

tròn) và NC  
3
Z



101
24
Hình 4.5

ô hình QM

111
25
Hình 4.6




113
26
Hình 4.7

       
        


114
27
Hình 4.8
   -ray (mã 1MWU theo PDB) và
m
nguyê         -ray, và

116
28
Hình 4.9


119
29
Hình 4.10
            
.

120
30
Hình 4.11


121

9




















SA
Staphylococcus aureus
QM/MM


MM/MD

ONIOM
Our own N-layered Integrated molecular Orbital molecular
Mechanics
MM

PBP2a
Protein Binding penicillin 2a nicillin
)
MRSA
g kháng methicillin
PBP
nicillin
DFT
NR

P-Raphson






1MWU
    a methic   
penicillin
1MWS
        

penicillin
PBP2a*
          

SER403
          
PBP2a
MC1
Methicillin
NC1
Nitrocefin
10

MM-PBSA
Molecular Mechanics- Poisson Bolzmann Surface Area
MD
Molecular Dynamics  
QM
Quantum mechanics  
MM+, AMBER, BIO+
(CHARMM), OPLS

MM+
Merck Molecular
AMBER
Assisted Model Building and Energy Refinement
BIO+ (CHARMM)
Chemistry at HARvard Molecular Mechanics
OPLS
Optimized Potential for Liquid Simulations

UHF
Unrestricted Hartree-Fock - -Fock cho

RHF
Restricted Hartree-Fock -   -Fock cho

RMSD
         
deviation)
RMSF
       the root
mean square fluctuation)
MO-LCAO
Obitan       n tính các obitan

SCF

LA

LAC
Nguyên t the link atom
connection
LAH
 

11


-u gc Fleming phát hin vào
c phát hin lu. T 
-c s dng rng rãi vi nhng lng ln và liên tc
c phát trin, nhm tìm ra nhng hp cht mi có hiu qu cao h  i
phó vi tác dng ca vi khun làm vô hiã có trc,
hay còn gi là hin t     c g  n
thu là mt v có tm quan tru, thu hút s quan tâm
ln ca các nhà khoa hc, hoá sinh, sinh lý, vi
trùng hc và y hc. Ch  c tài là Nghiên cứu cơ chế phản ứng giữa
một số kháng sinh β-lactam và enzym PBP2a bằng các phương pháp Hóa
tin nhc gii quyt v nan gii nói trên, tc
là nghiên cu lý gii c -lactam liên tc b các vi khun làm
mt hiu qu. 
  
-. Thông qua 
hóa lý, hàng r kháng sinh 


-
.
 

lai hóa /MM, hay 
   MM/MD  
 
 

12


Sử dụng phương pháp QM/MM, MM/MD trong nghiên
cứu chất ức chế proteaza-HIV và malate Dehydrogenaza. Ứng dụng QM/MM
trong nghiên cứu phức các kim loại chuyển tiếp. Ứng dụng phương pháp
QM/MM trong tính toán các phản ứng hữu cơ quang hóa…

89,99,100,102


lai hóa QM/MM,
 

.

các  tính toán 
c 


 h

 
  
pháp lai hóa QM/MM và MM/MD giúp cho v
 



 -enzym PBP2a

13

nghiên  ,


14

C 1: 
Staphylococcus aureus (SA)  
  và là   trùng 
. Nghiên    %
loài  có mang SA , và  SA có liên quan
 
35,107
 
trùng SA  loét, ,   và  sau 
          . Alexander Fleming
(1881  1955, nhà sinh hc c lý hc
i Scotland kháng sinh
trong y hcging Nobel v y hc 1945 
Ernst Boris Chain và Howard Walter Florey 
penicilin  bnh
nhim trùng.  trùng   
  penicillin, tuy nhiên, vào  ,
      SA  kháng -lactam   là
Staphylococcus aureus kháng methicillin (MRSA) (Hình 1.1),  công

35
. 



là 
15


Hình 1.1.  -kháng Staphylococcus aureus (hình
 internet)
C này có  gen MecA, không 
 SA,   ó. Các kháng sinh -
penicillin và methicillin khi thâm 

o.
-
  gen MecA mã hóa 
(PBP2a) MRSA,
57,34,45,108,72,20,79,52,39,38,70
. Gen Mec     
  PBP2a 
dòng), PBP2a 
  A      
-lactam. PBP2a methicillin và
các kháng sinh --
  nó    làm trung gian  và
  
a -lactam.  
-
              

16

Hình 1.2xyl hóa   protein data
bank
S
 nó 
       MRSA. T  các - 
methicillin  trung gian xây
methicillin 
cách cho phép nó  tâm a enzym
PBP2a-lactam
nên  rõ.  
quá trình -
 axyl hóa, là hình thành liên
          tâm   (Hình 1.2, hình
1.4).
43,112
Trong quá trình axyl hóa, nhóm hydroxyl    
cacbon trong nhóm liên k C-
-
       .     
 axyl
hóa  
17

hàng trong axyl
.
-lactam.
34,108,52,70

-

-
34,108

--
 -lactam có liên
-
 
h -

vòng -
ng enzym này

-lactam.
AmpC
Beta

lactam
Beta
-
lactam.AmpC
N
S
R
2
O
-
HO
AmC OH
O
HN

-
R
1
O
S
N
O
-
R
1
HN
R
2
O
O
O
-
AmC
S
N
O
-
OH
2
HN
R
1
O
O
R

2
HO
O
-
AmC
AmC.product
AmC
product
1
2
3
4
5
H
2
O
O

Hình 1.3. - -lactam
-
trì
18

-
--

34
 --lactamase

              

Hình 1.3 minh
      -lactamase       -
-lactam.

34,108

  penicillin-binding protein (PBP 
 .
       ng quá trình ax   
kháng sinh có 
-
d

không  - -lactam).
        - -  
 axyl -lactam -PBP2a 
2
.

3
xyl -
lactam -PBP2a ph-lactamoate.
  K
d


2
xyl K
3
.

  -
háng - axyl
-lactam - 
-
d

xyl-PBP (K
3
)
72,70,36,73
.
19


d
 millimol),
-l 


d
v (K
2

        
70,112,41
    

enzym.

24,62


             
Staphylococcal và Streptococcal.
108

-lactam kh
Gram-.
108

Theo c  này thì          
       altered  
 lux).

-

 



 
Active transport

20

             -
MDR).
         



           
(opportunistic pathogen) Pseudomonas aeruginosa.     
(tripartite pump -  

sinh m tetracycline, chloramphenicol.-
lactam -
108
.

Strynadka
70
Strynadka theo
        -       
enzym penicillin-binding protein
(PBP
-
enzym protein binding
penicilin 2a (penicillin-binding protein 2a (PBP2a)). Lim và Stryna

 po
yl trúc Xray 
protein data
bank)   
           
i 
21

-lactam
này .

N
H
O
NHR
OH
CH
2
Ser
HN
H
O
NHR
O
CH
2
Ser


Hình 1.4.   ax       -    
SER403 
yl hóa (xem hình 1.4) 
-lactam  -t

 
enzym vào vòng -   yl- 
A 
yl hóa - quá trình hìn
axyl-PBP2a -  thành.
112,41


 -lactam và enzym PBP2a hình thành
 -
-
lactam-PBP2a .
  
 -lactam         
          michaelis (K
d
). Hình 1.4
22

nhóm cacbonyl -

yl hóa. Quá
trình ax-lactam.
 403 
enzym lên các vòng - xyl-PBP

2
).

và nitrocefin
34,70,108




kháng?

N
S
–
O
O
H
O
NH
O
O
O
N
H
O
NH
O
S
O
–
O
NO
2
NO
2
S
MC1
NC1


  cho quá trình axyl

hóa các  
. nghiê/MD)
/MM hay ONIOM
-

 
23

 . Trong   chúng tôi       
methicillin (MC1) và nitrocefin (NC1) (hình 1.5) v PBP2a 
             V  
, quá trình hình thành  

      -      
          và
 trong vòng lactam x
b
hàm /MM, ONIOM (DFT: MM).
Trong ph      -lactam là    


 

PBP2a t
( 

 MM

axyl -lactam- 
 à

PBP2a 
 tài này nhn c gii quyt vn
 nan gii nói trên, tc là nghiên cu lý gii c -lactam liên
tc b các vi khun làm mt hiu qu 
24

SA 

              


Tính 


-

-



Journal of Chemical Information and Modeling ca M - 

25

C2: 
L

 -lai hóa 



5-9



 

L               




 
g trong -design). 
             -
 
 
