SO SÁNH NĂNG LƯỢNG LIÊN kết TĨNH điện TRONG PROTEASE của HIV 1 KHI LIÊN kết với THUỐC LOPINAVIR

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

II-P-1.40
SO SÁNH NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT TĨNH ĐIỆN TRONG PROTEASE CỦA HIV-1
KHI LIÊN KẾT VỚI THUỐC LOPINAVIR
Lý Minh Nhật, Nguyễn Hà Hùng Chương
Khoa Vật lý – Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Email:
TÓM TẮT
Tương tác tĩnh điện đóng vai trò quan trọng trong sự liên kết giữa protease của HIV-1 và phối tử.
Hiểu biết về vấn đề này sẽ có nhiều ứng dụng trong việc tìm thuốc điều trị HIV/AIDS. Trong nghiên
cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp Poisson - Boltzmann để tìm năng lượng liên kết tĩnh điện.
Kết quả cho thấy thuốc liên kết chặt hơn với các thể đột biến 2Z54, 2O4S, 2RKF và 2RKG và yếu hơn
với 2QHC và 2Q5K. Bên cạnh đó, 2RFG và 2RKF có phân bố tĩnh điện âm hơn trên bề mặt trong khi
những thể đột biến còn lại là dương. Kết quả này sẽ hỗ trợ cho tính toán động học phân tử để có thể
đánh giá chính xác hơn liên kết giữa thuốc và các thể đột biến của protease HIV-1.
Từ khóa: protease HIV-1, lopinavir, tương tác tĩnh điện, năng lượng liên kết
GIỚI THIỆU
Vai trò của protease trong HIV-1
Giống như nhiều virus khác, HIV tạo ra các polyprotein, gồm nhiều protein nối với nhau. Để cắt chúng
thành các protein có kích thước phù hợp, HIV phải sử dụng một enzyme có tên là protease HIV-1. Các protease
này phải căn thời gian chuẩn xác khi cắt. Nếu cắt sớm thì sẽ các polyprotein sẽ không dùng được khi virus còn
non, nếu cắt trễ thì chúng sẽ bị vỡ, không kịp dùng để virus trưởng thành. Vì có chức năng quan trọng nhưng
nhạy cảm này, protease này thường là đối tượng được nhắm đến khi bào chế thuốc. Đây là lý do tại sao công
trình này nhắm vào protease này.
Protease HIV-1 là một enzyme nhỏ gồm hai phần dài 99 amino acid giống nhau, gọi là một homodimer.
Hai phần này tạo thành một đường ống, phía trên được đậy bởi hai nắp (flat) linh hoạt. Khi hoạt động, hai nắp
này mở ra và enzyme ôm lấy chuỗi peptide cần cắt, rồi đóng lại.
Có những loại đột biến ở protease như đột biến đôi V82F/I84V có thể làm giảm hiệu quả của thuốc tới
2000 lần [1]. Khó khăn hơn nữa là vì chúng được tạo ra rất nhanh và nhiều nên sự đột biến cũng vì thế mà nhanh
chóng xuất hiện.

Hình 0. Ba vùng quan trọng của protease là vùng mắt (nơi nó “nhìn”
thấy phối tử [1]), vùng nắp (nơi cho phối tử đi vào) và vùng mũi (nơi
hai chuỗi của nó tiếp xúc với nhau) [18]. Nguồn: Wikipedia.

ISBN: 978-604-82-1375-6

288


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Liên kết tĩnh điện trong protease
Ở mức độ nguyên tử, chỉ có duy nhất một loại tương tác: tương tác tĩnh điện. Tuy nhiên, trong hóa học,
tương tác này được biểu hiện thành nhiều kiểu liên kết khác nhau như liên kết cộng hóa trị, liên kết ion, liên kết
Van der Waals. Chỉ những tương tác nào không là biểu hiện thành những liên kết trên mới được gọi là liên kết
tĩnh điện.
Cùng với entropy, liên kết tĩnh điện có vai trò nhất định trong sự liên kết giữa các protein, mặc dù hiệu ứng
kỵ nước và tương tác Van der Waals mới điều khiển quá trình này. Entropy và tĩnh điện là nguyên nhân tại sao
chúng đến với nhau, còn lực Van der Waals và hiệu ứng kỵ nước là cách mà chúng liên kết lại [2]. Tuy nhiên, sự
ổn định của chúng cũng được lực tĩnh điệnđóng góp đáng kể [3].
Các đột biến tĩnh điện nhằm giữ được sự ổn định khi protein cuộn lại dưới áp lực bên ngoài (chẳng hạn như
thuốc). Một số tác giả đặt ra giả thuyết là đột biến tĩnh điện không chỉ giúp protein dễ ổn định hơn, mà còn tạo ra
nhiều không gian để nó tiến hóa[3].
Vì vậy, nghiên cứu về liên kết tĩnh điện của protease là cần thiết để hiểu thêm về cơ chế đột biến của nó.
Năng lượng liên kết trong protease
Chức năng của protease do cấu trúc của nó quyết định. Cấu trúc được tạo thành do các liên kết của từng
thành phần trong protein. Sau khi đột biến, để biết protease có còn giữđược chức năng cũ của nó hay không cần
phải xem năng lượng liên kết giữa các thành phần của nó thay đổi như thế nào.
Công trình này sẽ đi tính năng lượng liên kết giữa hai chuỗi và giữa protein và phối tử của các protease đột
biến, sau đó tiến hành so sánh chúng.

Tổng quan tài liệu
Nhóm tác giả Omar Haq, Michael Andrec, Alexandre V. Morozov, Ronald M. Levy (2012) [3], bằng mô
hình hạt thô (coarse grained) và các phương pháp thống kê, quan sát thấy các đột biến nhỏ (accessory mutation)
ở các gốc mang điện làm tăng độ ổn định của protein, là chìa khóa để giảm sự ổn định của thuốc ức chế. Thêm
vào đó, mô hình thống kê cho thấy mạng lưới các đột biến tĩnh điện liên quan (network of correlated electrostatic
mutations) có một cấu trúc nhỏ và đã tiến hóa để giảm tối đa các tương tác gây cản trở.
Tingjun Hou, William A. McLaughlin và Wei Wang (2007) [4] sử dụng động học phân tử, đã có kết quả
ủng hộ kết quả mà các tác giả này đề ra trước đó: khi một đột biến xuất hiện tại một gốc amion acid được giả
định là không quan trọng cho chức năng của protease làm giảm khả năng liên kết với thuốc hơn là với cơ chất, sự
kháng thuốc xảy ra. Họ gợi ý rằng phân tử thuốc có tác dụng tốt là phân tử chỉ cần liên kết với các gốc quan
trọng như Asp25, Gly27, Ala28, Asp29 và Gly49 vì đột biến ở những gốc này sẽ quay lại gây hại tới chức năng
enzyme của protease. Vì vậy sự kháng thuốc sẽ ít được xảy ra. Những loại thuốc hiện tại có thể được cải thiện
nếu tương tác giữa chúng với Asp29 được tăng cường.
Da W. Zhang, John Z. H. Zhang (2005) [5] đã sử dụng phương pháp MFCC (sử dụng cơ lượng tử) cho
chính hệ protease – lopinavir cho thấy liên kết chủ đạo ở đây là một liên kết hydro mạnh giữa nhóm hydroxyl
trung tâm của thuốc và oxy trong gốc Asp25 của chuỗi A. Tiếp theo là liên kết hydro giữa lopinavir và gốc
Asp29. Ngoài ra, Asp30, Gly27, Gly48 và Ile50 cũng là những liên kết quan trọng khi liên kết với thuốc.
Về mặt vật lý, Digby (2009) [6] nói rằng năng lượng liên kết với protein lớn hơn thì sẽ dễ bị kháng hơn.
Trước đó, các tác giả Kemper Talley, Carmen Ng, Michael Shoppell, Petras Kundrotas và Emil Alexov (2008)
[7] đã chỉ rõ thêm là độ lớn số học của năng lượng liên kết này rất nhạy cảm với sự thay đổi của các thông số của
trường lực, của quá trình cực tiểu hóa, của hằng số điện môi nội và của bán kính đầu dò. Tuy nhiên không phải
lúc nào cũng như vậy.

ISBN: 978-604-82-1375-6

289


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

2

1

𝜀1

3

4
𝜀2

Hình 2. Protease và phối tử trong hai môi trường:
𝜺𝟏 : Môi trường chân không hoặc gần giống bên trong protease.
𝜺𝟐 : Môi trường nước hoặc gần giống môi trường hoạt động thật của nó.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Năng lượng liên kết
Do bài toán mà công trình xét không trao đổi nhiệt với bên ngoài, không thay đổi áp suất và không xuất
hiện thể tích nên không có sự khác nhau giữa năng lượng và năng lượng tự do. Để ngắn gọn ta sẽ gọi là năng
lượng nhưng vẫn sử dụng ký hiệu của năng lượng tự do (𝐺) để thống nhất với các bài báo khác.
1 → 2: protease và phối tử liên kết với nhau trong chân không bằng lực tĩnh điện. Vậy nên năng lượng liên kết
tĩnh điện trong chân không bằng hiệu của hai trạng thái này:

𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑 (ε1 ) = 𝐺𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝐺2 − 𝐺1 = 𝐺𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑥 (ε1 ) − 𝐺𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑎𝑠𝑒 (ε1 ) − 𝐺𝑑𝑟𝑢𝑔 (ε1 )
3 → 4: tương tự như trường hợp 1 → 2 nhưng trong môi trường nước. Tuy nhiên lực liên kết không còn đơn
thuần là tĩnh điện nữa mà còn có sự đóng góp của môi trường:

𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑 (ε2 ) = 𝐺𝑒𝑙𝑒𝑐 + 𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣 = 𝐺4 − 𝐺3 = 𝐺𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑥 (ε2 ) − 𝐺𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑎𝑠𝑒 (ε2 ) − 𝐺𝑑𝑟𝑢𝑔 (ε2 )
Vì vậy, phần năng lượng do môi trường đóng góp sẽ là:

𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣 = 𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑 (ε2 ) − 𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑 (ε1 ) = Δ𝐺𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑥 − Δ𝐺𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑎𝑠𝑒 − Δ𝐺𝑑𝑟𝑢𝑔

Δ𝐺𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑎𝑠𝑒 là biến thiên năng lượng của protease khi chuyển từ môi trường 𝜀1 sang môi trường 𝜀2 , nó cũng
chính là công protease nhận được do sự thay đổi này mang lại.Tương tự cho Δ𝐺𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑥 hoặc Δ𝐺𝑑𝑟𝑢𝑔 .
Nếu 𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑 > 0, nghĩa là 𝐺𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑥 > 𝐺𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒𝑎𝑠𝑒 + 𝐺𝑑𝑟𝑢𝑔 , protease và thuốc sẽ có xu hướng tách ra hơn là
liên kết với nhau do hệ có xu hướng tìm về trạng thái có năng lượng nhỏ nhất. Ngược lại, chúng sẽ thích kết hợp
lại hơn nếu 𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑 < 0. Trong cùng một môi trường nhưng giữa hai thể đột biến khác nhau, thể nào có năng
lượng liên kết nhỏ hơn sẽ liên kết chặt hơn. Hoặc, cùng một thể nhưng ở hai môi trường khác nhau, môi trường
nào làm năng lượng liên kết của nó tăng lên sẽ làm giảm sự liên kết giữa các thành phần của nó.
Nếu muốn khóa chặt sự hoạt động của protease, loại thuốc được sử dụng cần phải liên kết mạnh với nó,
nghĩa là phải có 𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑 càng nhỏ càng tốt. Ngược lại, nếu nó có năng lượng liên kết với protein lớn hơn thì dễ bị
kháng hơn [6].
Giá trị tuyệt đối của thành phần tĩnh điện trong liên kết năng lượng tự do rất nhạy cảm với sự thay đổi của
các thông số của trường lực, của quá trình cực tiểu hóa, của hằng số điện môi nội (internal dielectric constant) và
của khoảng cách quan sát (bán kính đầu dò), nhưng không phải lúc nào cũng vậy[2].

ISBN: 978-604-82-1375-6

290


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Mô phỏng
Từ cấu trúc thực nghiệm của một số dạng đột biến của protease đi kèm với phối tử AB1 (tức là thuốc
lopinavir) trong file PDB (ghi toạ độ của từng nguyên tử), chúng tôi làm sạch nó bằng cách xóa hết các nguyên
tử không liên quan và cácvị trí B của các nguyên tử trong protein nếu nó có hai vị trí. Tiếp theo, chương trình
PDB2PQR[8] [9] được sử dụng để thêm vào đó điện tích và kích thước của từng nguyên tử bằng trường lực
AMBER ff99, tạo ra file PQR. Sau đó tách nó ra thành protease và phối tử rồi dùng chương trình APBS 1.3
[10]để tính năng lượng của chuỗi A, chuỗi B, phối tử, protease khi không có phối tử và protease khi có phối tử
tại nhiệt độ 298.5 K. APBS sẽ tính năng lượng bằng phương trình Poisson – Boltzmann phi tuyến, tìm nghiệm số
bằng phương pháp đa lưới.
Để mô phỏng các điện thế của protease bằng hình ảnh, chương trình PyMOL 1.3 với plugin APBS Tool 2

được sử dụng.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Các vị trí đột biến
Phân tử thuốc lopinavir (LPV)được chọn vì nó bị kháng nhiều nhất (dữ liệu cập nhật ngày 2/3/2014 [11]).
Vì vậy nên chúng tôi chọn các file PDB chứa protease đột biến và thuốc lopinavir (Bảng 1).
Bảng 2. Màu đỏ là những vị trí đột biến có bằng chứng lâm sàng rõ rệt trong việc làm nhiễu các liệu pháp PI đã
thành công. Bôi đậm là những đột biến có tiềm năng trở thành phản chỉ định của PI liên quan (ở đây là LPV).
Gạch chân là các đột biến kháng PI có hiệu quả lâm sàng thường gặp [11]
ID
Đột biến với 1MUI (dạng tự nhiên)
1RV7[12]
L10I, D25N, M36V, S37N, M46L, I62V, L63P, A71V,V82A,I84V, L90M
2O4S [13]
Q7K
2Q5K [14] Q7K, K14R, S37N, R41K, L63P
2QHC [15] I47A
2RKF [16] L10F, I13V, G16A, K20M, V32I, K43T, M46V, I47V, I54M, I64V, A71V, V82A
2RKG [16] L10F, I13V, G16A, K20M, V32I, E35EE, K43T, M46V, I47V, I54M, I64V, A71V, V82A
2Z54 [17]
I47A, I54V
Protease HIV-1 là một enzyme trong họ aspartic (Asp, D), nghĩa là nó sử dụng gốc này để cắt peptide.
Vùng hoạt động của nó luôn có chuỗi Asp – Thr – Gly (aspartic acid – threonine – glycine, D – T – G)[18], đây
cũng chính là vùng mắt của protease HIV.
Năng lượng liên kết giữa protein và phối tử
Bảng 3. Năng lượng liên kết giữa protein và phối tử trong từng môi trường và
năng lượng liên kết do môi trường cung cấp. Đơn vị: 𝐤𝐉/𝐦𝐨𝐥
1MUI

𝑮𝒃𝒊𝒏𝒅 (𝜺 = 𝟐)
-42.68296365

𝑮𝒃𝒊𝒏𝒅 (𝜺 = 𝟕𝟖)
322.6769331

𝑮𝒔𝒐𝒍𝒗
365.3598968

1RV7

-22.23621079

98.78722542

121.0234362

2O4S

-40.80467935

291.0272633

331.8319427

2Q5K

0.57060189

343.7909543

343.2203524

2QHC

35.01887858

366.0377854

331.0189068

2RKF

-35.88064752

290.0440179

325.9246654

2RKG

-34.23117386

281.0449705

315.2761444

2Z54

-71.09990143

292.1907374

363.2906388

ID

ISBN: 978-604-82-1375-6

291


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

Năng lượng liên kết giữa protein và phối tử
400
350
300
250
200
150
100
50
0
-50

2QHC

2Q5K

1MUI

2Z54

2O4S

2RKF

2RKG

1RV7

-100
ε=2

ε=78

Hình 3. Đồ thị biểu diễn số liệu ở bảng 4, xếp từ cao xuống thấp. Đơn vị: 𝐤𝐉/𝐦𝐨𝐥.
Nhìn vào bảng số liệu, ta thấy đa số các thể đột biến đều được môi trường cung cấp thêm một lượng năng
lượng trên dưới 350 kJ/mol, riêng 1RV7 thì chỉ có 121 kJ/mol, nhỏ hơn tới gần ba lần. Kết quả này cho thấy sự
không nhất quán của năng lượng do môi trường đóng góp đối với 1RV7 so với những protein còn lại. Vì 1RV7
là cấu hình duy nhất có đột biến D25N, và vì D25 là một amino acid tĩnh điện có vai trò quan trọng trong việc
liên kết với phối tử nên đây có thể là nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt lớn. Tuy nhiên cần các tính toán chi tiết
hơn để khẳng định điều này.
Trong tất cả các thể đột biến, 2QHC là thể có năng lượng liên kết giữa protein và phối tử là cao nhất, hơn
vị trí thấp nhất là 2RKG85 kJ/mol. 2RKG, 2Z54, 2O4S và 2RKF đều là những thể có năng lượng liên kết thấp
hơn 1MUI giữa protein và thuốc, nghĩa là liên kết chặt với thuốc nhất. Điều này có nghĩa chúng dễ bị thuốc bám
vào hơn, còn 2QHC và 2Q5K lại kháng thuốc tốt hơn. Nói ngược lại, thuốc có thể có tác dụng tốt hơn với 2Z54,
2O4S, 2RKF, 2RKG và có tác dụng kém hơn với 2QHC và 2Q5K.
Hình ảnh mô phỏng

ISBN: 978-604-82-1375-6

292


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

Hình 4. Phân bố điện thế của 1MUI. Cột trái là phân bố của nó trước khi liên kết với thuốc, cột phải là sau khi
liên kết. Hàng trên là mặt trước, hàng dưới là mặt sau. Mặt trước được quy ước là mặt tích điện dương nhiều
hơn. Đơn vị: 𝐤𝐓/𝐞.

Hình 5. Công thức hóa học của lopinavir: C37 H48 N4 O5
Ta thấy sau khi protease liên kết với thuốc, điện thế của nó bị thay đổi, nhưng không nhiều. Điều này có

ISBN: 978-604-82-1375-6

293


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
nghĩa là trên thuốc có một phân bố điện tích nhưng không quá mạnh để có sự thay đổi rõ ràng.Kết luận này là
hợp lý vì thuốc có chứa các nhóm carboxyl và amine tích điện, dù cho nó có tổng điện tích bằng 0.

Hình 6. Điện thế trên mặt trước của các thể đột biến sau khi có thuốc. Đơn vị: 𝐤𝐓/𝐞.
Tuy nhiên, khi so sánh các thể đột biến với nhau ta sẽ có nhiều thứ đáng chú ý hơn. Rõ ràng nhất là sự đổi
điện thế từ dương sang âm ở hai thể 2RKF và 2RKG. Hai thể này hoàn toàn giống nhau ngoại trừ 2RKG có đột
biến E35EE so với 2RKF. Hai thể này có đột biến làm mất điện tích so với 1MUI là K20M và K43T. Có lẽ đây
là lý do tại sao chúng âm nhiều đến như vậy.
Với 2O4S và 2Q5K, ta thấy có nhiều màu xanh hơn ở phần nắp và phần mũi của protease. Đây có thể là do
cả hai có đột biến Q7K làm mất điện tích dương. Tuy nhiên gốc amino acid số 7 lại nằm ở phần mũi, không phải
phần nắp. Với 2QHC và 2Z54, ta thấy không có nhiều khác biệt về mặt điện thế cho lắm, có lẽ vì chúng không

có đột biến nào làm thay đổi các gốc tích điện có sẵn cả.
Đối với 1RV7, có một điều cũng đáng chú ý đó là sự mất đi điện thế âm trong vùng hoạt động. Ở đây, màu
đỏ rất nhạt, nghĩa là trong đó gần như không còn điện tích. Điều này phù hợp với việc thể đột biến này có đột
biến quan trọng D25 làm mất aspartic acid ở vùng hoạt động.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CHƯA GIẢI QUYẾT
Hướng phát triển
Dùng phương pháp này để tính vấn đề khác
Có thể tìm năng lượng liên kết cho các thể đột biến khác, thuốc khác (tipinavir, indinavir, ritonavir, v.v),
cách chống HIV khác (ức chế hòa màng, ức chế sao chép ngược, ức chế tích hợp DNA) và cả virus khác (virus
cúm, virus viêm gan B, v.v.).
Dùng phương pháp khác để tính vấn đề này
PBE chỉ là một trong nhiều phương pháp mô phỏng để tính năng lượng. Ngoài ra còn có phương pháp
động lực học phân tử (giải phương trình chuyển động cổ điển), Monte Carlo (lấy mẫu ngẫu nhiên), mô phỏng từ
nguyên lý ban đầu (ab initio, dùng cơ lượng tử), v.v. Sử dụng nhiều phương pháp sẽ giúp ta kiểm tra chéo kết
quả và tận dụng được các thế mạnh của từng cái.
Thêm đầu vào, thêm đầu ra
Ngoài lực tĩnh điện, hệ còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như độ pH, độ pKa, môi trường, nhiệt độ.
Cũng không chỉ việc liên kết là quan trọng, còn nhiều đầu ra cần khảo sát như sự thay đổi cấu trúc của protease
(đóng và mở nắp, v.v.), trạng thái trước và sau khi protease cắt chuỗi peptide, v.v.
Tìm mối liên hệ giữa kết quả tính được và thử nghiệm lâm sàng
Như đã nói ở trên, thuốc có thể có tác dụng tốt nhất với 2Z54, 2O4S, 2RKF, 2RKG và có tác dụng kém
nhất với 2QHC và 2Q5K. Tuy nhiên, nếu xem lại bảng các thể đột biến (Bảng 1), ta có thể thấy điều ngược lại:
2Q5K, 2QHC, 2O4S là những thể có ít vị trí bị đột biến kháng thuốc, còn 1RV7, 2RKF, 2RKG và 2Z54 lại có
nhiều vị trí hơn.
Vấn đề này đúng ra nên được xem là một vấn đề chưa giải quyết được. Tuy nhiên, để có kết luận hoàn
chỉnh cần tiến hành nghiên cứu ở quy mô rộng hơn, không chỉ gói gọn trong mô phỏng (in silico) mà còn cần
đến thực nghiệm trong phòng thí nghiệm (in vitro) và trên động vật và bệnh nhân (in vivo). Hoặc cũng có thể kết
quả tính toán ở trên là chưa hoàn toàn chính xác.

ISBN: 978-604-82-1375-6

294


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Tìm mối liên hệ giữa phân bố điện thế và chức năng của protease
Các đột biến làm thay đổi điện thế của protease. Một số hầu như không thay đổi nhiều như 2QHC, 2Z54,
một số thay đổi ít như 2O4S, 2Q5K, một số thay đổi đáng kể như 1RV7, 2RKF, 2RKG. Những sự thay đổi về
điện thế này ảnh hưởng thế nào với chức năng của protease? Chúng xuất hiện là để chống lại sự có mặt của
thuốc, vậy chúng chống lại như thế nào?
Sự tiến hóa của protease
Như đã nói ở phần Giới thiệu, một số tác giả cho rằng đột biến tĩnh điện làm cho protease có không gian để
tiến hóa[3]. Ta có thể xác nhận điều này không?
Những vấn đề chưa giải quyết
Chưa đưa ra độ tin cậy của phương pháp và thuật toán
Công trình chưa thể hiện độ chính xác của phương pháp và thuật toán được sử dụng. Liệu có phương pháp
nào cho kết quả tốt hơn?
1RV7 có năng lượng liên kết với phối tử thấp
Với việc mất đi gốc Asp nhiều điện tích âm, liên kết của 1RV7 với phối tử đáng lẽ phải suy giảm đáng kể.
Điều này cũng được thể hiện khi mô phỏng hình ảnh: vùng hoạt động của nó không âm mà lại dương (lưu ý là
vùng này được hình thành từ hai chuỗi, mỗi chuỗi mất một thì cả vùng sẽ mất hai). Tuy nhiên theo kết quả tính
toán năng lượng liên kết của nó lại cho thấy đây là thể đột biến liên kết chặt nhất với phối tử do nó có năng
lượng thấp nhất. Điều này là do môi trường cung cấp năng lượng cho nó ít hơn nhiều so với các thể đột biến
khác. Nhưng tại sao?
Nếu 1RV7 quả thật ít liên kết với phối tử nhất thì có thể nó là loại thể đột biến kháng thuốc tốt nhất. Nếu
đúng như vậy thì đây chính là thểđáng quan tâm.
Chưa so sánh với thực nghiệm
Mô phỏng được xem là chân trụ thứ ba của khoa học, là cầu nối giữa lý thuyết và thực nghiệm. Việc chưa
đưa ra được những dữ liệu thực nghiệm là một thiếu sót lớn.

COMPARE THE ELECTROSTATIC ENERGY BETWEEN MUTANTS
OF HIV-1 PROTEASE
Ly Minh Nhat, Nguyen Ha Hung Chuong
University of Science, VNU-HCM
ABSTRACT
Electrostatic interaction plays an important role in the binding of HIV-1 protease and ligand.
Understanding the role of this interaction may assist designing better drugs targeting on HIV/AIDS
disease. In this work, we have applied the Poisson – Boltzmann method to calculate the binding
electrostatic energy in HIV-1 protease. The results implie that the inhibitor binds stronger to 2Z54,
2O4S, 2RKF and 2RKG mutants and weaker to 2QHC and 2Q5K. The potential maps of 2RKG and
2RKF are more negative than the others. These results can be used along with molecular dynamics
calculation to give more precise evaluations on the binding between drug and different HIV-1 protease
mutants.
Keyword: HIV-1protease, lopinavir, electrostatic interaction, binding energy
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. PERRYMAN AL, LIN JH, MCCAMMON JA. HIV-1 protease molecular dynamics of a wild-type and of
the V82F/I84V mutant: Possible contributions to drug resistance and a potential new target site for drugs.
PubMed, 2004.
[2]. KEMPER TALLEY, CARMEN NG, MICHAEL SHOPPELL, PETRAS KUNDROTAS, EMIL ALEXOV.
On the electrostatic component of protein-protein binding free energy. PMC Biophysics, 2008.
[3]. OMAR HAQ, MICHAEL ANDREC, ALEXANDRE V. MOROZOV, RONALD M. LEVY. Correlated
Electrostatic Mutations Provide a Reservoir of Stability in HIV Protease. PLOS Computational Biology,
2012.
[4]. TINGJUN HOU, WILLIAM A. MCLAUGHLIN, AND WEI WANG. Evaluating the potency of HIV-1
ISBN: 978-604-82-1375-6

295


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

protease drugs to combat resistance. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics, 2007.
[5]. DIGBY, T. The effects of drug resistant point mutations on HV-1 protease ligand binding. [S.l.].
2009.
[6]. DOLINSKY TJ, CZODROWSKI P, LI H, NIELSEN JE, JENSEN JH, KLEBE G, BAKER NA.
PDB2PQR: Expanding and upgrading automated preparation of biomolecular structures for molecular
simulations. Nucleic Acids Res, 2007.
[7]. DOLINSKY TJ, NIELSEN JE, MCCAMMON JA, BAKER NA. PDB2PQR: an automated pipeline for the
setup, execution, and analysis of Poisson-Boltzmann electrostatics calculations. Nucleic Acids Res, 2004.
[8]. BAKER NA, SEPT D, JOSEPH S, HOLST MJ, MCCAMMON JA. Electrostatics of nanosystems:
application to microtubules and the ribosome. Proc. Natl. Acad. Sci., 2001.
[9]. UNIVERSITY, S. PI Resistance Notes. HIV Drug Resistance Database. Disponivel em:
< Acesso em: 5 jul. 2014.
[10]. LOGSDON, B.C., VICKREY, J.F., MARTIN, P., PROTEASA, G., KOEPKE, J.I., TERLECKY, S.R.,
WAWRZAK, Z., WINTERS, M.A., MERIGAN, T.C., KOVARI, L.C. Crystal structures of a multidrugresistant human immunodeficiency virus type 1 protease reveal an expanded active-site cavity. J Virol,
2004.
[11]. MUZAMMIL S1, ARMSTRONG AA, KANG LW, JAKALIAN A, BONNEAU PR, SCHMELMER V,
AMZEL LM, FREIRE E. Unique thermodynamic response of tipranavir to human immunodeficiency virus
type 1 protease drug resistance mutations. J Virol, 2007.
[12]. G. S. KIRAN KUMAR REDDY, AKBAR ALI, MADHAVI N. L. NALAM, SAIMA GHAFOOR
ANJUM, HONG CAO, ROBIN S. NATHANS, CELIA A. SCHIFFER, TARIQ M. RANA. Design and
Synthesis of HIV-1 Protease Inhibitors Incorporating Oxazolidinones as P2/P2′ Ligands in
Pseudosymmetric Dipeptide Isosteres. J Med Chem. , 2013.
[13]. KLÁRA GRANTZ ŠAšKOVÁ, MILAN KOžÍšEK, MARTIN LEPšÍK, JIřÍ BRYNDA, PAVLÍNA
ŘEZÁčOVÁ, JANA VÁCLAVÍKOVÁ, RON M. KAGAN, LADISLAV MACHALA, JAN
KONVALINKA. Enzymatic and structural analysis of the I47A mutation contributing to the reduced
susceptibility to HIV protease inhibitor lopinavir. Protein Science, 2008.
[14]. KOZÍSEK M, SASKOVÁ KG, REZÁCOVÁ P, BRYNDA J, VAN MAARSEVEEN NM, DE JONG D,
BOUCHER CA, KAGAN RM, NIJHUIS M, KONVALINKA J. Ninety-nine is not enough: molecular
characterization of inhibitor-resistant human immunodeficiency virus type 1 protease mutants with
insertions in the flap region. J Virol , 2008.

[15]. KLARA S., BRYNDA J., KOZISEK M., LEPSIK M., MACHAL L., KONVALINKA J. The Influence of
I47A Mutation on Reduced Susceptibility to the Protease Inhibitor Lopinavir. Protein Sci., Sắp xuất bản.
[16]. IRENE T. WEBER, JOHNSON AGNISWAMY. HIV-1 Protease: Structural Perspectives on Drug
Resistance. Viruses, 2009.

ISBN: 978-604-82-1375-6

296