Thiết kế, sàng lọc một số dẫn xuất flavonoid và đánh giá hoạt tính gây độc lên dòng tế bào hela dựa vào các tính toán hóa lượng tử

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan luận án này là kết quả nghiên cứu thực sự của cá nhân dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS. Phạm Văn Tất, trường Đại học Hoa Sen và PGS. TS. Trần
Dương, trường Đại học Sư Phạm – Đại học Huế.
Luận án được thực hiện tại trường Đại học Khoa Học – Đại học Huế. Chưa từng
có kết quả nghiên cứu tương tự được công bố dưới bất cứ hình thức nào trước khi
thực hiện luận án. Một phần kết quả của công trình này đã được công bố trên: Tạp
chí Hóa học và Ứng dụng, Tạp chí Hóa học, Tạp Chí Khoa học và Công nghệ trường Đại học Khoa học – Đại học Huế, Tạp chí Đại học Huế, Tạp chí
Computational Chemistry, Cogent Chemistry, Taylor Francis, Tạp chí Organic &
Medicinal Chemistry International Journal (OMCIJ), Tạp chí Natural products
research.
Ký tên

Bùi Thị Phương Thúy

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận án trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS.
Phạm Văn Tất, Trường Đại học Hoa Sen; PGS. TS. Trần Dương, Trường Đại học
Sư Phạm Huế đã giao đề tài, hướng dẫn trực tiếp và truyền đạt những kinh nghiệm
và kiến thức quý báu, tận tình chỉ dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp
đỡ em hoàn thành luận án này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS.TS. Trần Thái Hòa, TS. Trần Xuân
Mậu, TS. Nguyễn Thị Ái Nhung - Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa Học Huế. Các
thầy cô đã giúp đỡ, động viên và chỉ dạy nhiều kiến thức quý báu trong quá trình
em học tập tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Hóa, các Thầy Cô trong Khoa
Sau đại học và toàn thể Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa Học Huế đã cho phép
và tạo mọi thuận lợi cho em hoàn thành luận án này.

Em xin gửi lời cảm ơn đến TS. Phùng Văn Trung, TS. Hoàng Thị Kim Dung
Viện Hoá học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam TP. Hồ Chí Minh
đã giúp đỡ em trong quá trình làm luận án.
Em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Hùng Huy, Khoa Hoá, Trường Đại
học Khoa học Tự Nhiên – ĐHQGHN đã giúp đỡ, tận tình chỉ dẫn em trong quá
trình làm luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ cho tôi
hoàn thành luận án này.
Ký tên

Bùi Thị Phương Thúy

ii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ANOVA

Phân tích phương sai

ARE, %

Giá trị tuyệt đối của sai số tương đối

Bond

Liên kết

Cal

Tính toán (Calculation)

SKC

Sắc kí cột

COSY

1

d

Đỉnh đôi (doublet)

dd

Mũi đôi của mũi đôi (duplet of duplet)

DEPT

Phổ DEPT (Distortionless Enhancement by Polarisation Transfer)

DMSO

Dimethyl sulfoxide (CH3)2S=O

Exp

Thực nghiệm (Experiment)

EtOAc

Ethyl acetate (CH3COOC2H5)

EtOH

Ethanol (C2H5OH)

E-State

Trạng thái điện tử (electrotopological state)

GI50

H-1H (Correlation Spectroscopy)

Nồng độ thuốc ức chế 50% sự phát triển của tế bào gây ung thư
(50% Growth Inhibition)

pGI50

pGI50= -log(GI50)

pGI50,exp

Giá trị pGI50 thực nghiệm

pGI50,pr

Giá trị pGI50 dự đoán

HMBC

HSQC

Phổ tương tác đa liên kết hai chiều dị hạt nhân (Heteronuclear
Multiple Bond Vorrelation)
Phổ tương tác hai chiều trực tiếp dị hạt nhân (heteronuclear single
quantum coherence)

HPV

Vi rút u nhú ở người (Human Papillomavirus)

IR

Phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy)
iii


LV

Biến ẩn (Latent Variables)

LogP

Giá trị logarit hệ số phân tán

Linear

Tuyến tính

m

Mũi đa (multiplet)

MM+

Phương pháp cơ học phân tử MM

MARE, %

Giá trị trung bình của ARE, %

MSE

Sai số trung bình bình phương (Mean Squared Error)

MS

Phổ khối (mass spectrometry)

MetOH

methanol (CH3OH)

Nonlinear

Phi tuyến tính

NMR

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân

OD

Phương pháp đo mật độ quang (Optical Density)

PCA

Phân tích thành phần chính (Principal Components Analysis)

PCR

Hồi qui thành phần chính (Principal Components Regression)

PLS

Bình phương cực tiểu riêng phần (Partial Least Squares)

QSPR

QSAR

QESAR

QSDAR

QSSR
Q2

Quan hệ định lượng cấu trúc - tính chất
(Quantitative Structure - Property Relationship)
Quan hệ định lượng cấu trúc - hoạt tính
(Quantitative Structure - Activity Relationship)
Quan hệ định lượng giữa cấu trúc điện tử và hoạt tính sinh học
(Quantitative Electronic Structure - Activity Relationship)
Quan hệ định lượng giữa cấu trúc phổ NMR và hoạt tính sinh học
(Quantitative Spectrum Data - Activity Relationship)
Quan hệ định lượng cấu trúc - cấu trúc
(Quantitative Structure - Structure Relationship)
Hệ số tương quan đánh giá chéo (Cross-validation correlation
coefficient)

R2tr

Hệ số tương quan R2 luyện

R2pr

Hệ số tương quan R2 dự đoán

iv


R2ad

R2hiệu chỉnh

Rf

Hệ số lưu giữ (Retention Factor)

SAR

Quan hệ cấu trúc hoạt tính (Structure - Activity Relationship)

s

Đỉnh đơn (singlet)

SRB

Sulforhodamine B

SK

Sắc ký

SKLM

Sắc ký lớp mỏng

t

Mũi ba (triplet)

TCA

Trichloroacetic acid

UV

Phổ UV (Ultraviolet Spectroscopy)

J (Hz)

Hằng số ghép (Hz) (Coupling constant Hz)

1

H-NMR

13

C-NMR

(ppm)
QSARMLR
(3.16)
QSARMLR
(3.17)
QSARMLR
(3.19)

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (Hydrogen Nuclear Magnetic
Resonance)
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân cacbon 13 (Carbon Nuclear Magnetic
Resonance)
Độ dịch chuyển hóa học (chemical shift) tính bằng ppm

QSARMLR phương trình 3.16
QSARMLR phương trình 3.17
QSARMLR phương trình 3.19

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Năng lượng tối thiểu (kcal/mol) của phân tử isoflavone (isofla-30)................................................. 63
Bảng 3.2 Tham số moment lưỡng cực (µ) của các flavonone và isoflavone ................................................... 65
Bảng 3.3 Ảnh hưởng của loại biến độc lập đến giá trị R2tr............................................................................... 67
Bảng 3.4 Ảnh hưởng của số biến độc lập đến giá trị R2tr, R2pr, SE................................................................... 67
Bảng 3.5 Ảnh hưởng của số nơ ron ẩn đến giá trị R2tr ..................................................................................... 68
Bảng 3.6 Ảnh hưởng của cấu trúc mạng đến giá trị R2tr và R2pr ....................................................................... 68
Bảng 3.7 Ảnh hưởng của hàm truyền đến giá trị R2tr và R2pr ........................................................................... 69
Bảng 3.8 Ảnh hưởng của moment và sai số luyện đến R2tr .............................................................................. 69
Bảng 3.9 Các mô hình tuyến tính QESARMLR (k = 2 - 10) và giá trị thống kê ................................................ 71
Bảng 3.10 Giá trị thống kê và các mô hình QESARMLR (với k = 5 - 7) ........................................................... 72
Bảng 3.11 Giá trị thống kê và giá trị đóng góp GMPmxi,% của nguyên tử trong các mô hình QESARMLR (với
k = 5 – 7) .......................................................................................................................................................... 73
Bảng 3.12 pGI50 của nhóm kiểm tra dự đoán từ mô hình QESARMLR, QESARANN ........................................ 75
Bảng 3.13 Các mô hình QSDARMLR và các giá trị thống kê ........................................................................... 76
Bảng 3.14 Giá trị thống kê, các hệ số và phần trăm đóng góp của các độ dịch chuyển hóa học i trong các mô
hình QSDARMLR .............................................................................................................................................. 77
Bảng 3.15 Hoạt tính pGI50,pr của các dẫn xuất kiểm tra và các giá trị ARE,% từ các mô hình QSDARMLR (với
k = 7) và QSDARANN với kiến trúc I(7)-HL(2)-O(1) ....................................................................................... 79
Bảng 3.16 Mối tương quan của các hợp chất sử dụng mô tả điện tích nguyên tử............................................ 81
Bảng 3.17 Tính chất hóa lý và hoạt tính kháng ung thư pGI 50 của các hợp chất nghiên cứu bằng mô hình
QSSRMLR và các chất dùng để dự đoán ........................................................................................................... 82
Bảng 3.18 Các mô hình QSARMLR (k từ 2 đến 10) với các giá trị R2, R2pred và MSE ...................................... 86

Bảng 3.19 Các giá trị thống kê và giá trị phần trăm đóng góp MPmxi,% và GMPmxi,% đối với các tham số mô
tả phân tử 2D và 3D trong các mô hình QSAR MLR (với k là 8, 9 và 10) .......................................................... 87
Bảng 3.20 Hoạt tính sinh học pGI50 của nhóm kiểm tra từ các mô hình QSARMLR (3.16) và QSARANN(1) ..... 90
Bảng 3.21 Các mô hình QSARMLR (k từ 2 đến 10) với các giá trị R2, R2pred và MSE ...................................... 91
Bảng 3.22 Các giá trị thống kê và phần trăm đóng góp MPmxi,%, GMPmxi,% của các tham số mô tả phân tử
2D, 3D trong các mô hình QSARMLR (với k bằng 5, 6, 7) ............................................................................... 92
Bảng 3.23 Hoạt tính sinh học pGI50 của nhóm kiểm tra từ các mô hình QSARMLR (3.17), QSARPCR và
QSARPCA-ANN ................................................................................................................................................... 95
Bảng 3.24 Các mô hình QSARMLR với các giá trị R2tr , SE và R2pr tương ứng .................................................. 97
Bảng 3.25 Các giá trị thống kê và phần trăm đóng góp MPmxi,%, GMPmxi,% của điện tích nguyên tử trong
các mô hình QSARMLR..................................................................................................................................... 99
Bảng 3.26 Hoạt tính pGI50 trong nhóm kiểm tra dự đoán từ các mô hình QSARMLR (3.19), QSARPLS (3.20) và
QSARANN(2) .................................................................................................................................................... 100
Bảng 3.27 Phần trăm gây độc tế bào GI50 (µg/ml) của các mẫu khảo sát trên dòng tế bào Hela ở các nồng độ
khác nhau ....................................................................................................................................................... 112

vi


Bảng 3.28 Giá trị GI50 (µg/ml) và pGI50 của các mẫu flavonoid khảo sát từ thực nghiệm in vitro ................ 113
Bảng 3.29 Hoạt tính pGI50 của các flavone và isoflavone mới được dự đoán từ mô hình QESARMLR và
QESARANN..................................................................................................................................................... 114
Bảng 3.30 Hoạt tính pGI50 của flavone và isoflavone mới được thiết kế và dự đoán từ mô hình QSDAR MLR
(M1) và QSDARANN (M2) ............................................................................................................................. 116
Bảng 3.31 Tính chất hóa lý và giá trị hoạt tính kháng ung thư pGI 50 của nhóm dẫn xuất flavone và isoflavone
tương tự được nghiên cứu từ mô hình QSSRMLR ........................................................................................... 118
Bảng 3.32 Giá trị pGI50,pr từ 3 mô hình QSSRMLR, QSEARMLR và QSDARMLR ............................................ 119
Bảng 3.33 Nhiệt độ nóng chảy thực nghiệm và dự đoán từ mô hình QSSRMLR của các dẫn xuất flavonoid chiết
xuất. ............................................................................................................................................................... 120
Bảng 3.34 Hoạt tính sinh học pGI50 của hai hợp chất phân lập ZZL1, ZZL2 từ các mô hình QSARMLR (3.16)

và QSARANN(1) .............................................................................................................................................. 121
Bảng 3.35 Hoạt tính GI50 (µM) của 10 hợp chất mới nhận được từ mô hình QSAR ANN(1 ............................. 122
Bảng 3.36 Hoạt tính sinh học pGI50 của nhóm kiểm tra và hai hợp chất phân lập luteolin và daidzin từ các mô
hình QSARMLR (3.18), QSARPCR và QSARPCA-ANN ....................................................................................... 123
Bảng 3.37 Hoạt tính kháng ung thư pGI50 của 5 hợp chất mới được dự đoán từ mô hình QSARPCA-ANN ) .... 124
Bảng 3.38 Hoạt tính pGI50 trong nhóm kiểm tra dự đoán từ các mô hình QSARMLR (3.19), QSARPLS (3.20) và
QSARANN (2) .................................................................................................................................................. 125
Bảng 3.39 Hoạt tính kháng ung thư pGI50 của 5 hợp chất mới thiết kế bằng cách gắn nhóm thế vào vị trí C6,
C3’ của quercetin, dự đoán từ mô hình QSARANN(2) ....................................................................................... 125

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mối liên quan định lượng cấu trúc, tính chất, độ phản ứng, hoạt tính ................................................ 7
Hình 1.2 Giản đồ Venn mối liên quan định lượng cấu trúc và tác dụng [93] .................................................... 7
Hình 1.3 Mô hình hồi quy tuyến tính với (p = 2) [51, 66] .............................................................................. 15
Hình 1.4 Hồi quy đa biến thường với p = 2, N = 3 [51, 66] ............................................................................ 18
Hình 1.5 Ý nghĩa của hệ số hồi quy [51, 66]................................................................................................... 19
Hình 1.6 Giải thích F-test [51, 66] .................................................................................................................. 20
Hình 1.7 Hồi quy thành phần chính với p = 2, N = 3 [52, 107] ...................................................................... 24
Hình 1.8 Thành phần chính với p = 2 [51, 106] .............................................................................................. 27
Hình 1.9 Hồi quy PLS với p = 2, N = 3 [51, 106] ........................................................................................... 30
Hình 1.10 Sơ đồ giải thuật di truyền [10] ........................................................................................................ 34
Hình 1.11 Chọn lựa thế hệ cha mẹ (Pk) theo phương pháp bánh xe lăn [76] .................................................. 36
Hình 1.12 Chọn lựa thế hệ cha mẹ (Pk) theo phương pháp xếp hạng tuyến tính [76] ..................................... 36
Hình 1.13 Toán tử chéo đơn điểm [76] ........................................................................................................... 37
Hình 1.14 Toán tử chéo hai điểm [76] ............................................................................................................ 37
Hình 1.15 Hệ thống thần kinh sinh học tự nhiên ............................................................................................. 40
Hình 1.16 Hoạt động mạng thần kinh nhân tạo [50] ....................................................................................... 41

Hình 1.17 Cấu trúc mạng nơ ron [101] ........................................................................................................... 42
Hình 1.18 Quá trình học của mạng nơ ron [16] ............................................................................................... 43
Hình 1.19 Mô hình tính toán một nơ ron [69, 77] ............................................................................................ 44
Hình 1.20 Cấu khung flavonoid và quy ước đánh số [74] ............................................................................... 47
Hình 1.21 Một số dẫn xuất flavonoid [20, 74] ................................................................................................. 47
Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát .............................................................................................................. 51
Hình 2.2. Nguyên liệu sử dụng phân lập flavonoid [2] ................................................................................... 54
Hình 2.3 Xây dựng các mô hình hồi quy đa biến ............................................................................................. 56
Hình 2.4 Quy trình phân lập các dẫn xuất flavonoid [3, 59] ........................................................................... 57
Hình 3.1 Sự giảm năng lượng phân tử theo mức gradient ............................................................................... 64
Hình 3.2 Ảnh hưởng của k đến R2 và SE.......................................................................................................... 67
Hình 3.3 Giá trị đóng góp trung bình toàn cục GMPmxi .................................................................................. 72
Hình 3.4 Mối tương quan giữa các hợp chất: a) sử dụng điện tích; b) sử dụng tính chất hóa lý ..................... 81
Hình 3.5 Quan hệ giữa tính chất hóa lý dự đoán và dữ liệu thực nghiệm ........................................................ 85
Hình 3.6 a) Hồi quy tuyến tính đa biến và b) giá trị pGI50 và pGI50,pred của flavonoid trong nhóm kiểm tra ... 88
Hình 3.7 Tính chất của các thành phần chính và tương quan giữa giá trị pGI 50 ............................................. 94
Hình 3.8 Cấu trúc phân tử CSL1, C12H20O11 ................................................................................................. 102
Hình 3.9 Cấu trúc phân tử AIL1, C15H10O7 ................................................................................................... 103
Hình 3.10 Cấu trúc POL1, C15H10O6 ............................................................................................................. 104
Hình 3.11 Cấu trúc phân tử của GML1, C21H20O9 ......................................................................................... 106
Hình 3.12 Cấu trúc phân tử của daidzin dưới dạng elipxoit với xác xuất 50% .............................................. 107

viii


Hình 3.13 Cấu trúc phân tử của ZZL1, C16H12O6 .......................................................................................... 108
Hình 3.14 Cấu trúc phân tử của ZZL1 dưới dạng elipxoit với xác xuất 50% ................................................ 109
Hình 3.15 Cấu trúc phân tử của ZZL2 (C25H24O12) ....................................................................................... 110
Hình 3.16 Hoạt tính pGI50,pr dự đoán từ mô hình tuyến tính QESARMLR của các flavone, isoflavone mới và
chất mẫu ......................................................................................................................................................... 113

Hình 3.17 Cấu trúc dược chất trong cây nghể (Polygonum hydropiper) [2] ................................................. 117
Hình 3.18 Cấu trúc dược chất trong cây hoàng cầm (Scutellaria baicalensis) [2] ......................................... 117
Hình 3.19 Các giá trị pGI50 của hợp chất mới với hợp chất mẫu a) ZZL1, b) ZZL2 ..................................... 122
Hình 3.20 So sánh giữa các giá trị pGI50 của năm flavonoid mới với chất mẫu a) POL1; b) GML1 ............ 123
Hình 3.21 So sánh giữa các giá trị pGI50 của năm flavonoid mới với chất mẫu a) AIL1; b) CSL1 .............. 126

ix


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................ iii
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................... viii
MỤC LỤC ..................................................................................................................x
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................4
1.1. BỆNH UNG THƯ CỔ TỬ CUNG........................................................................................... 4
1.1.1. Các nguyên nhân gây ung thư ......................................................................................... 4
1.1.2. Điều trị............................................................................................................................. 5
1.1.3. Phòng ngừa ...................................................................................................................... 6
1.2. LIÊN HỆ GIỮA CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH ....................................................................... 6
1.3. TÍNH TOÁN THÔNG TIN CẤU TRÚC .................................................................................. 9
1.3.1. Cơ học phân tử ................................................................................................................ 9
1.3.2. Cơ học lượng tử ............................................................................................................... 9
1.3.3. Phương pháp bán thực nghiệm ...................................................................................... 11
1.4. CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC ................................................................................................ 12
1.4.1. Hồi quy đa biến ............................................................................................................. 12
1.4.2. Hồi quy thành phần chính.............................................................................................. 22

1.4.3. Bình phương tối thiểu riêng phần .................................................................................. 25
1.4.4. Giải thuật di truyền ........................................................................................................ 31
1.4.5. Mạng thần kinh nhân tạo (ANN) ................................................................................... 39
1.4.5.1. Khái niệm ............................................................................................................................. 39
1.4.5.2. Cấu trúc mạng ....................................................................................................................... 40

1.4.6. Thống kê đánh giá mô hình ........................................................................................... 45
1.4.7. Tính toán đóng góp của các tham số ............................................................................. 46
1.5. HỢP CHẤT FLAVONOID .................................................................................................... 46
1.5.1. Giới thiệu chung ............................................................................................................ 46
1.5.2. Phân loại dẫn xuất flavonoid ......................................................................................... 47

x


1.5.3. Phân bố flavonoid trong tự nhiên .................................................................................. 48
1.5.4. Hoạt tính sinh học của flavonoid ................................................................................... 48
1.6. PHÂN LẬP VÀ XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC FLAVONOID ....................................................... 50
1.6.1. Phân lập flavonoid ......................................................................................................... 50
1.6.2. Xác định cấu trúc flavonoid .......................................................................................... 50
1.6.3. Thử hoạt tính in vitro của flavonoid tự nhiên ................................................................ 50

CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................51
2.1. SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU ......................................................................................................... 51
2.2. CƠ SỞ DỮ LIỆU, NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP .................................................... 52
2.2.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu thông tin phân tử ..................................................................... 52
2.2.2. Nguyên liệu và phương pháp......................................................................................... 52
2.2.2.1. Phần mềm ứng dụng ............................................................................................................. 52
2.2.2.2. Hóa chất, thiết bị................................................................................................................... 52
2.2.2.3. Nguyên liệu .......................................................................................................................... 53

2.3. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT................................................................................................. 54
2.3.1. Phương pháp tính toán thông tin cấu trúc...................................................................... 54
2.3.1.1. Cơ học phân tử...................................................................................................................... 54
2.3.1.2. Hóa lượng tử ......................................................................................................................... 54
2.3.1.3. Các tham số cấu trúc ............................................................................................................. 55

2.3.2. Xây dựng các mô hình QSAR ....................................................................................... 55
2.4. SÀNG LỌC, PHÂN LẬP FLAVONOID TỰ NHIÊN ............................................................. 56
2.4.1. Phân lập các hợp chất flavonoid .................................................................................... 56
2.4.2. Xác định cấu trúc hóa học các hợp chất flavonoid ........................................................ 58
2.4.2.1. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân ........................................................................... 58
2.4.2.2. Đo nhiễu xạ tia X đơn tinh thể .............................................................................................. 59

2.4.3. Kỹ thuật thử hoạt tính in vitro ....................................................................................... 59
2.4.3.1. Nguyên tắc phương pháp Sulforhodamine B ........................................................................ 59
2.4.3.2. Nuôi cấy tế bào ..................................................................................................................... 60
2.4.3.3. Nhuộm SRB .......................................................................................................................... 61
2.4.3.4. Xử lý kết quả ........................................................................................................................ 61
2.4.3.5. Xác định GI50 ........................................................................................................................ 61

2.5. THIẾT KẾ VÀ DỰ BÁO HOẠT TÍNH CỦA FLAVONOID .................................................. 62

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ & THẢO LUẬN ............................................................63
xi


3.1. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT................................................................................................. 63
3.1.1. Tính toán thông tin cấu trúc........................................................................................... 63
3.1.1.1. Khảo sát phương pháp cơ học phân tử.................................................................................. 63

3.1.1.2. Khảo sát phương pháp hóa lượng tử ..................................................................................... 64

3.1.2. Tham số cấu trúc và tính chất phân tử ........................................................................... 65
3.1.2.1. Điện tích .............................................................................................................................. 65
3.1.2.2. Phổ 13C-NMR, 15O-NMR và độ dịch chuyển hóa học .......................................................... 66
3.1.2.3. Tham số hóa lý ..................................................................................................................... 66
3.1.2.4. Tham số hình học 2D, 3D ..................................................................................................... 66

3.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH QSAR .............................................................................................. 66
3.2.1. Khảo sát các biến số mô hình ........................................................................................ 66
3.2.2. Xây dựng các mô hình QESAR..................................................................................... 70
3.2.2.1. Mô hình tuyến tính QESARMLR ............................................................................................ 70
3.2.2.2. Mô hình mạng thần kinh QESAR ANN ................................................................................... 74
3.2.2.3. Kiểm tra khả năng dự đoán ................................................................................................... 75

3.2.3. Xây dựng các mô hình QSDAR .................................................................................... 75
3.2.3.1. Mô hình tuyến tính QSDARMLR ........................................................................................... 75
3.2.3.2. Mô hình mạng thần kinh QSDARANN ................................................................................... 78
3.2.3.3. Kiểm tra khả năng dự đoán ................................................................................................... 78

3.2.4. Xây dựng mô hình QSSRMLR ........................................................................................ 79
3.2.4.1. Nguyên tắc xây dựng ............................................................................................................ 79
3.2.4.2. Tính toán các tham số hóa lý ................................................................................................ 80
3.2.4.3. Xây dựng mô hình ................................................................................................................ 80
3.2.4.4. Kiểm tra khả năng dự đoán ................................................................................................... 84

3.2.5. Xây dựng mô hình QSARMLR (3.16) và QSARANN(1) ..................................................... 85
3.2.5.1. Dữ liệu .................................................................................................................................. 85
3.2.5.2. Xây dựng mô hình QSARMLR (3.16) .................................................................................... 85
3.2.5.3. Xây dựng mô hình QSARANN(1) ............................................................................................ 89

3.2.5.4. Khả năng dự đoán của mô hình QSAR MLR (3.16) và QSARANN(1) ........................................ 90

3.2.6. Xây dựng mô hình QSARMLR (3.17), QSARPCR (3.18) và QSARPCA-ANN ...................... 91
3.2.6.1. Dữ liệu .................................................................................................................................. 91
3.2.6.2. Xây dựng mô hình QSARMLR (3.17), QSARPCR (3.18) ......................................................... 91
3.2.6.3. Xây dựng mô hình QSARPCA-ANN ......................................................................................... 94
3.2.6.4. Khả năng dự đoán của các mô hình ...................................................................................... 95

xii


3.2.7. Xây dựng mô hình QSARMLR (3.19), QSARPLS (3.20) và QSARANN(2) ......................... 96
3.2.7.1. Dữ liệu .................................................................................................................................. 96
3.2.7.2. Xây dựng mô hình QSARMLR (3.19) và QSARPLS (3.20) ..................................................... 96
3.2.7.3. Xây dựng mô hình QSARANN(2) ............................................................................................ 99
3.2.7.4. Dự đoán hoạt tính sinh học của các hợp chất mới .............................................................. 100

3.3. SÀNG LỌC, PHÂN LẬP FLAVONOID TỰ NHIÊN ........................................................... 101
3.3.1. Phân lập cynaroside từ actiso ...................................................................................... 101
3.3.2. Phân lập quercetin từ xa kê ......................................................................................... 102
3.3.3. Phân lập luteolin từ tía tô............................................................................................. 103
3.3.4. Phân lập daidzin từ đậu nành....................................................................................... 105
3.3.4.1. Xác định cấu trúc daidzin bằng phương pháp NMR........................................................... 105
3.3.4.2. Xác định cấu trúc phân tử daidzin bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X ........................... 106

3.3.5. Phân lập kaempferol-3-O-methylether từ gừng gió..................................................... 107
3.3.5.1. Xác định cấu trúc kaempferol-3-O-methylether bằng phương pháp NMR ........................ 107
3.3.5.2. Xác định cấu trúc kaempferol-3-O-methylether bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X ...... 109

3.3.6. Phân lập kaempferol-3-O-(2,4-O-diacetyl-alpha-L-rhamnopyranoside) từ gừng gió . 110

3.3.7. Thử hoạt tính sinh học in vitro của các hợp chất flavonoid tự nhiên .......................... 111
3.4. THIẾT KẾ VÀ DỰ BÁO HOẠT TÍNH CÁC FLAVONOID ................................................ 113
3.4.1. Mô hình QESAR ......................................................................................................... 113
3.4.2. Mô Hình QSDAR ........................................................................................................ 115
3.4.3. Mô hình QSSRMLR ....................................................................................................... 116
3.4.4. Mô hình QSARMLR (3.16) và QSARANN (1) ................................................................ 121
3.4.5. Mô hình QSARMLR (3.17), QSARPCR và QSARPCA-ANN ............................................... 123
3.4.6. Mô hình QSARMLR (3.19 ), QSARPLS (3.20) và QSARANN(2) ...................................... 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................127
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ...............................................................................129
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................131
PHỤ LỤC ...............................................................................................................144

xiii


MỞ ĐẦU
Các phương pháp phòng và trị bệnh ung thư hiện nay như phẫu thuật, xạ trị,
hóa trị. Tuy nhiên các phương pháp này vẫn có những tác dụng phụ nhất định đối
với bệnh nhân. Nhu cầu về dược chất kháng ung thư có khả năng phòng và trị bệnh
đang rất lớn nhưng khả năng đáp ứng còn hạn chế [70, 71]. Các nhà khoa học, dược
học đã và đang quan tâm nghiên cứu, tìm kiếm các loại dược chất mới. Trong đó
nhóm flavone, isoflavone nói riêng là nhóm dược chất có nhiều trong thực vật với
hoạt tính kháng oxi hóa, kháng ung thư, kháng viêm, … hiệu quả [45, 104]. Các
nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới và Việt Nam đã cung cấp một cơ sở dữ liệu
quý giá về nguồn dược chất trong tự nhiên, nhưng các nghiên cứu thực nghiệm
thuần túy còn nhiều hạn chế để tạo ra hợp chất có hoạt tính kháng ung thư hiệu quả,
nhanh chóng, kinh tế [41, 42]. Các nghiên cứu lý thuyết trên thế giới nói chung,
trong nước nói riêng về nhóm flavone và isoflavone có hoạt tính kháng ung thư cổ

tử cung còn khá khiêm tốn [90, 103]. Nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc - hoạt tính
nhằm thiết kế các dẫn xuất flavone, isoflavone mới có hoạt tính được cải thiện; các
nghiên cứu lý thuyết là rất cần thiết để thúc đẩy và làm tiền đề cho các nghiên cứu
thực nghiệm, nhằm tìm kiếm các dược chất kháng ung thư hiệu quả [80, 90].
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng các thông tin mô tả cấu trúc điện
tích nguyên tử, độ dịch chuyển hóa học, tính chất hóa lý, tham số 2D và 3D của
phân tử kết hợp các kỹ thuật phân tích hồi quy, mạng nơ ron, phân tích thành phần
chính, giải thuật di truyền, bình phương cực tiểu riêng phần để xây dựng các mối
quan hệ định lượng cấu trúc - hoạt tính (QSAR) [89]. Các flavonoid được xây dựng
và tối ưu hóa bằng các phương pháp cơ học phân tử MM+. Các tham số mô tả phân
tử 2D, 3D được sử dụng để xây dựng các mô hình đa biến như hồi quy tuyến tính đa
biến (MLR), phân tích thành phần chính (PCR), bình phương cực tiểu riêng phần
(PLS) và mạng nơ ron nhân tạo (ANN) [80, 90]. Xây dựng các mô hình QSAR
nhằm xác định những yếu tố tham số mô tả phân tử ảnh hưởng đến tác dụng kháng
ung thư cổ tử cung từ đó xác định hướng thiết kế phân tử mang lại hoạt tính cao hơn
[86, 90, 103]. Trong nghiên này cũng đã tiến hành chiết tách và phân lập flavonoid
1


từ gừng gió, đậu nành, tía tô, xa kê, actiso, một vài kỹ thuật phân tích hóa lý cũng
được sử dụng để xác định cấu trúc phân tử các dẫn xuất flavonoid. Các phân tử
flavonoid đã phân lập sẽ được dự báo hoạt tính, và sử dụng làm chất mẫu để thiết kế
hợp chất mới có hoạt tính cao hơn. Từ các cơ sở trên, chúng tôi nghiên cứu đề tài
“Thiết kế, sàng lọc một số dẫn xuất flavonoid và đánh giá hoạt tính gây độc lên
dòng tế bào Hela dựa vào các tính toán hóa lượng tử”.
Mục tiêu của luận án
Tính toán, sàng lọc các tham số mô tả phân tử gồm: tham số điện tích, độ
dịch chuyển hóa học, tính chất hóa lý, tham số 2D, 3D của các dẫn xuất flavonoid.
Xây dựng các mô hình quan hệ cấu trúc – hoạt tính có khả năng dự đoán hoạt tính
kháng ung thư của các dẫn xuất flavone và isoflavone có cấu trúc tương tự.

Sàng lọc, phân lập, xác định cấu trúc và thử nghiệm in vitro hoạt tính kháng
ung thư 6 hợp chất flavonoid từ actiso, xa kê, đậu nành, tía tô, gừng gió.
Thiết kế, sàng lọc các dẫn xuất flavone và isoflavone và đánh giá hoạt tính
kháng ung thư cổ tử cung cũng như các tính chất hóa lý của các dẫn xuất flavonoid
mới thiết kế từ flavonoid mẫu.
Ý nghĩa khoa học của luận án
Nghiên cứu này đã sử dụng các tính toán lý thuyết và xây dựng các mối quan
hệ định lượng cấu trúc - hoạt tính (QSAR). Các flavone và isoflavone được xây
dựng và tối ưu hóa bằng các phương pháp cơ học phân tử MM+. Điện tích nguyên
tử, độ dịch chuyển hóa học, các tính chất hóa lý và các tham số mô tả phân tử 2D,
3D từ các phương pháp lý thuyết được sử dụng để xây dựng các mô hình đa biến
như hồi quy tuyến tính đa biến (MLR), hồi quy thành phần chính (PCR), hồi quy
bình phương cực tiểu riêng phần (PLS) và mạng nơ ron nhân tạo (ANN). Các kỹ
thuật thực nghiệm chụp cộng hưởng từ hạt nhân, phổ khối lượng và kỹ thuật đo
nhiễu xạ tia X đơn tinh thể cũng được sử dụng để xác định cấu trúc phân tử các dẫn
xuất flavonoid chiết xuất.
Các mô hình QSAR được xây dựng nhằm xác định được những vị trí nguyên
tử ảnh hưởng đến tác dụng kháng ung thư cổ tử cung từ đó xác định vị trí tác dụng
mạnh để xem xét gắn nhóm thế nhằm tạo ra hợp chất mới và chọn lựa được những
2


hợp chất có hoạt tính cao. Ngoài ra với kỹ thuật QSAR có thể xây dựng các mô hình
khác nhau để dự đoán các tính chất hóa lý khác của các hợp chất. Từ công trình này,
có thể ứng dụng phương pháp, kết quả nghiên cứu trong các nghiên cứu thực
nghiệm, lý thuyết với sự hỗ trợ của công nghệ máy tính nhằm giảm thiểu đáng kể
chi phí cho các nghiên cứu thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu của luận án mở ra
hướng nghiên cứu mới, phù hợp với định hướng nghiên cứu trên thế giới và Việt
Nam. Đây là cơ sở khoa học để áp dụng trong thiết kế, sàng lọc các hợp chất hữu cơ
có cấu trúc tương tự, đồng thời dự đoán hoạt tính sinh học và các tính chất hóa lý

của hợp chất làm tiền đề cho các quá trình thực nghiệm một cách hiệu quả.
Những đóng góp mới của luận án
Công trình này xác định được cấu trúc và thử hoạt tính pGI50 in vitro đối
với 6 hợp chất flavonoid phân lập từ lá tía tô, lá xa kê, lá actiso, hạt đậu nành và
củ gừng gió. Đã tính toán và sàng lọc các tham số mô tả cấu trúc phân tử như tham
số điện tích, tham số độ dịch chuyển hóa học, tham số 2D, 3D ảnh hưởng chính đến
hoạt tính kháng ung thư của các dẫn xuất flavonoid. Đã xây dựng và đánh giá thành
công khả năng dự báo của các mô hình QSAR. Các mô hình QESAR, QSDAR,
QSSR, QSARNMR, QSARANN, QSARPCA-ANN, QSARPCR, QSARPLS đã dự đoán được
hoạt tính kháng ung thư và tính chất hóa lý của các hợp chất mới được thiết kế từ
các chất mẫu và hợp chất tự nhiên. Hoạt tính kháng ung thư của các hợp chất mới
tốt hơn hoạt tính kháng ung thư của chất mẫu, hợp chất phân lập từ gừng gió, đậu
nành, tía tô, xa kê, actiso. Như vậy, việc tiến hành nghiên cứu xây dựng các mô
hình QSAR trong nghiên cứu này là một định hướng hữu ích trong nghiên cứu tìm
kiếm và tổng hợp các flavonoid khác nhau từ tự nhiên.
Cấu trúc của luận án gồm các phần sau
- Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan tài liệu
- Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu
- Chương 3: Kết quả và thảo luận
- Kết luận và kiến nghị
- Danh mục các công trình liên quan đến luận án
- Tài liệu tham khảo
3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. BỆNH UNG THƯ CỔ TỬ CUNG
1.1.1. Các nguyên nhân gây ung thư
Ung thư là một tập hợp các bệnh liên quan đến sự phân chia tế bào một cách

mất kiểm soát, tiếp theo là quá trình các tế bào đó xâm lấn và di căn đến các mô
khác qua hệ thống bạch huyết và máu [6]. Giai đoạn di căn là nguyên nhân chính
gây tử vong của bệnh nhân ung thư. Hiện nay có trên 100 bệnh ung thư có loại từ
bắp thịt và xương, có loại từ da hoặc lớp lót của các cơ quan, có loại xuất phát từ
máu. Ở nam giới thường gặp ung thư phổi, gan, đại trực tràng, dạ dày, vòm hầu,
thanh quản, thực quản, tuyến tiền liệt, ung thư máu [58, 70]. Ở nữ giới thường gặp
ung thư vú, cổ tử cung, đại trực tràng, phổi, tuyến giáp, buồng trứng, gan, dạ dày,
thân tử cung, da [70]. Ung thư làm cho cơ thể bệnh nhân tử vong bằng nhiều cách,
nhưng đa số là làm cho cơ thể suy kiệt với các bệnh cơ hội. Trong đó, bệnh ung thư
cổ tử cung hình thành ở biểu mô cổ tử cung (cổ tử cung là cơ quan nối giữa âm đạo
với buồng trứng) [57, 96].
Ung thư cổ tử cung bắt đầu ở niêm mạc cổ tử cung, tại đây các tế bào phát
triển bất bình thường và khó kiểm soát dẫn đến hình thành khối u. Phụ nữ trong độ
tuổi từ 30 đến 59 thường dễ mắc bệnh hơn cả. Đây là căn bệnh có thể điều trị và
phòng ngừa nếu phát hiện sớm [96, 112].
Triệu chứng biểu hiện bệnh: âm đạo xuất huyết bất thường, có mùi khó chịu,
cơ thể bệnh nhân gầy gò, da trắng bệch, cơ thể đau nhức [32].
Điều trị bệnh: tuỳ theo giai đoạn phát triển của bệnh mà được điều trị theo
phác đồ khác nhau: giai đoạn 1 ung thư khu trú tại cổ tử cung; giai đoạn 2 ung thư
xâm lấn vùng lân cận; giai đoạn 3 ung thư xâm lấn xa hơn; giai đoạn 3 di căn sang
các bộ phận khác của cơ thể [96].
Giai đoạn 1 và 2: chỉ cần mổ và chiếu xạ thì khả năng khỏi bệnh sẽ rất cao, tỉ
lệ khỏi bệnh là 80 – 90%. Giai đoạn 3 và 4 chủ yếu là xạ trị, tỉ lệ khỏi bệnh rất thấp
từ 3 – 25 %, tuỳ theo mức độ nặng hay nhẹ của bệnh [96].

4


Các yếu tố bên ngoài gây bệnh ung thư bao gồm: các tia X, chất phóng xạ,
tia cực tím, hóa chất gây hư hại cấu trúc gen di truyền. Các sản phẩm công nghiệp

như: amiăng gây ung thư phổi; polivinylclorua gây ung thư gan; nitrosamin gây ung
thư bao tử; các phẩm màu trong bánh kẹo, hay một số sản phẩm trong thuốc nhuộm
tóc, các hoá chất kích thích trong chăn nuôi nhiễm estrogen cũng gây ung thư; thuốc
ngừa thai và các chất kích thích nội tiết tố như DES (diethylstilbestrol) có khả năng
gây ung thư; thuốc trừ sâu, rầy như DDT cũng có khả năng gây ung thư [23, 99]. Ô
nhiễm không khí: các hoá chất gây ô nhiễm không khí như CO 2, hidrocacbon,
benzopiren, bụi amiăng, khói thuốc lá gây ung thư phổi [70]. Ngoài ra còn có độc
tố của nấm mốc chứa aflatoxin có trong nấm Aspergillus gây ung thư [26].
Các yếu tố do lối sống có thể là nguyên nhân gây bệnh ung thư như các hoá
chất trong thuốc lá gây ung thư phổi, rượu gây ung thư thực quản; chế độ ăn gây
ung thư: ăn nhiều mỡ động vật, bơ, ăn nhiều calo, ăn thiếu chất xơ, uống rượu, hay
sử dụng thực phẩm không an toàn là nguyên nhân gây ung thư [23, 62].
Yếu tố sinh học gây ung thư thể hiện ở một số ít căn bệnh ung thư ở người
được cho là do vi rút như ung thư gan, ung thư vòm họng, ung thư cổ tử cung [26].
Yếu tố di truyền gây ung thư chiếm tỉ lệ thấp, một số loại như ung thư mắt,
ung thư vú, có khuynh hướng dễ gặp trong cùng một gia đình. Tuy nhiên, yếu tố di
truyền không có tầm quan trọng về mặt thực tiễn [62].
1.1.2. Điều trị
Một số liệu pháp chính trong điều trị ung thư: phẫu trị là dùng lưỡi dao mổ
để loại bỏ tận gốc khối u; xạ trị là phương pháp sử dụng dùng tia phóng xạ tàn tiêu
diệt các tế bào ung thư; hoá trị là dùng hoá chất để tiêu diệt tế bào ung thư; liệu
pháp miễn dịch là liệu pháp tăng cường khả năng đề kháng tự nhiên của cơ thể để
kháng lại sự phát triển của tế bào ung thư [23, 58].
Phẫu thuật và xạ trị có ưu điểm là tấn công mạnh các loại ung thư thời kì còn
khu trú, nhưng phương pháp này không hiệu quả khi ung thư di căn trên cơ thể
người bệnh. Đối với phương pháp hoá trị chỉ cho kết quả tạm thời và không hiệu

5

quả. Liệu pháp miễn dịch chưa được nghiên cứu chuyên sâu nên chỉ là phương pháp
bổ trợ trong điều trị bệnh [58, 96].
1.1.3. Phòng ngừa
Biện pháp phòng ngừa ung thư bao gồm một số biện pháp như: Giảm thiểu
việc tiếp xúc với thuốc lá, rượu, hoá chất công nghiệp; thực hiện các biện pháp bảo
vệ cơ thể chặt chẽ khi tiếp xúc với tia phóng xạ; ngừa ung thư qua việc chọn lựa chế
độ ăn uống an toàn như không nên ăn một số thức ăn được khuyến cáo có thể gây
ung thư, thức ăn có chứa các hóa chất nguy hiểm và các hormon; khám sức khoẻ
định kỳ, tầm soát ung thư sớm đều đặn; tiêm vacxin ngừa ung thư; lối sống lành
mạnh [47, 99].
1.2. LIÊN HỆ GIỮA CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH
Liên hệ giữa cấu trúc – hoạt tính là nguyên tắc cơ bản nhất để xây dựng các
mô hình quan hệ cấu trúc – hoạt tính (QSAR) hay mô hình quan hệ cấu trúc – tính
chất (QSPR), mô hình quan hệ cấu trúc - cấu trúc để dự đoán tính chất vì cấu trúc –
tính chất - hoạt tính có mối quan hệ biện chứng với nhau, là các mối liên hệ nhân –
quả có thể được tính toán một cách chính xác và thiết lập theo những mô hình toán
học rõ ràng [17, 93]. Theo Testa và Kier, quan hệ định lượng cấu trúc – tác dụng là
tổng hòa các mối quan hệ thể hiện trên Hình 1.1. Trên cơ sở này nhiều kiểu mô
hình được xây dựng với các thông tin về cấu trúc khác nhau. Mô hình tổng quát
dạng QSXR: X có thể là A – hoạt tính (Activity); tính chất – P (Property); cấu trúc
– S (Structure) [17, 93].
Cấu trúc – tính chất không phải lúc nào cũng được phân định rõ ràng, nên
mối liên quan giữa chúng được biểu hiện bằng phần giao trên giản đồ Venn, Hình
1.2 [17, 93]. Tính chất – tác dụng có thể là một trong một số trường hợp nên mối
liên quan giữa tính chất và tác dụng cũng được diễn tả bằng giản đồ Venn có phần
giao. Cấu trúc – hoạt tính có sự phân định rõ ràng nên mối liên quan giữa cấu trúc
và tác dụng, điều này được mô tả bởi hai vòng tròn không có phần giao nhau mà
tiếp xúc tại một điểm.

6

Hoạt tính
Tính chất

Dữ liệu
cấu trúc

Sàng lọc dữ liệu

QSXR
X=aixi + b0

Mô hình
phân tử

Hình 1.1 Mối liên quan định lượng cấu trúc, tính chất, độ phản ứng, hoạt tính

Tính chất

Cấu trúc

Tác dụng

Hình 1.2 Giản đồ Venn mối liên quan định lượng cấu trúc và tác dụng [93]
Theo quan điểm hóa học, một phân tử có tác dụng sinh học mang hai nhóm
chức: nhóm tác dụng (thường có cấu tạo đặc biệt) và nhóm ảnh hưởng (thường là
các nhóm có khả năng thay đổi tính chất lý hóa của phân tử như hydroxyl, halogen,
carboxyl, nitro, ...) [17, 93].
Theo quan điểm sinh hóa, một phân tử có tác dụng sinh học có 2 thành phần

chính: Khung phân tử đặc trưng cho tính chất lý hóa, còn nhóm chức quyết định
hoạt tính sinh học [17, 93].
Theo quan điểm hiện đại, phân tử hợp chất là một thể thống nhất (gồm các
nguyên tử tạo khung phân tử, nhóm chức...). Tác dụng sinh học không những do
7


cấu trúc phân tử trực tiếp quyết định mà còn gián tiếp chịu ảnh hưởng bởi các quá
trình như hấp thụ, vận chuyển, phân bố hay chuyển hóa của phân tử trong cơ thể
sinh vật [17, 93]. Do đó, khi nghiên cứu mô hình liên quan giữa cấu trúc với tác
dụng, cấu trúc với hoạt tính người ta không những phải khảo sát cấu trúc mà còn
xem xét những yếu tố ảnh hưởng.
Mô tả cấu trúc phân tử: cấu trúc hóa học là sự sắp xếp trong không gian của
các nguyên tử trong lượng mô tả hay thông tin cấu trúc [17, 93].
Mức hình học: cấu trúc phân tử có thể được trình bày dưới dạng 2 chiều
(thông tin cấu trúc gồm độ liên kết nguyên tử, cấu hình Z/E) hay 3 chiều (thông tin
cấu trúc gồm cấu hình tương đối cũng như cấu hình tuyệt đối). Các thông tin của
cấu trúc 2 chiều (2D) và 3 chiều (3D) hữu ích cho nghiên cứu mối liên quan định
lượng cấu trúc và tác dụng [17, 93].
Mức lập thể điện tử: đó là vật thể có thể tích và hình thù nhất định như cấu
trúc lập thể có tính chất cơ động hay là cấu trúc lập thể với sự phân bố mật độ điện
tử của các nguyên tử [17, 93]. Các thông tin cấu trúc bao gồm thể tích, diện tích bề
mặt, sự thay đổi cấu dạng, sự phân bố điện tử, thế tĩnh điện phân tử, .... Các thông
tin này có thể có từ tính toán trên máy tính, đặc biệt là sử dụng các phương pháp
hóa lượng tử.
Mức tương tác với môi trường: cấu trúc phân tử thể hiện hoạt tính, độc tính,
điểm chảy, điểm sôi, khả năng solvat hóa, tính chất sắc ký, hệ số phân bố, độ tan, áp
suất tới hạn, v.v, trong môi trường sinh học [17, 93].
Cấu trúc phân tử ảnh hưởng đặc biệt quan trọng đối với hoạt tính sinh học,
đó là chìa khóa quan trọng để thiết lập mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính. Sự

phát triển của mối liên hệ này làm nền tảng để xây dựng các mô hình có khả năng
dự đoán. Với một chuỗi các hợp chất có cấu trúc tương tự, có thể xây dựng các mô
hình quan hệ giữa cấu trúc - hoạt tính (QSAR) [17, 93].

8


1.3. TÍNH TOÁN THÔNG TIN CẤU TRÚC
1.3.1. Cơ học phân tử
Trong các phương pháp lý thuyết liên quan đến việc tối ưu hóa hình học của
cấu trúc thì phương pháp cơ học phân tử (Molecular Mechanic - MM) khá thông
dụng. Phương pháp MM có thể tính toán chính xác về cấu trúc hình học và năng
lượng tương đối của các phân tử lớn vượt quá khả năng đối với các phương pháp
hóa lượng tử [25].
Năng lượng của phân tử trong trường được tính theo phương trình 1.1 [25]:
E = E b + E a + Et + E v + Eh + E e

(1.1)

Trong đó: Eb là năng lượng do sự biến dạng liên kết; Ea là năng lượng do sự
khép mở góc liên kết; Et là năng lượng do sự xoay quanh liên kết; Ev là năng lượng
tương tác van der Waals; Eh là năng lượng do liên kết hydrogen; Ee là năng lượng
tương tác tĩnh điện.
Giữa cấu trúc và năng lượng có sự liên quan mật thiết với nhau, do đó tối ưu
hóa hình học của cấu trúc sẽ dẫn đến tối thiểu hóa năng lượng của phân tử [102].
Quá trình này tạo một cấu trúc ứng với trạng thái năng lượng tối thiểu (tối ưu về
hình học hay bền về năng lượng) để từ đó có thể xem xét tọa độ của các nguyên tử
của phân tử. Cấu trúc tối ưu về hình học hay bền về năng lượng có thể sử dụng để
tính toán phương pháp lượng tử: phương pháp nguyên lý ban đầu (ab-initio) hay
phương pháp bán thực nghiệm [60] [100].

1.3.2. Cơ học lượng tử
Cơ học lượng tử (Quantum Mechanic - QM) là mô tả toán học chính xác của
trạng thái điện tử và tính chất hóa học. Về lý thuyết, QM có thể dự đoán chính xác
bất kỳ tính chất nào của từng nguyên tử hoặc phân tử [60, 100]. Trong thực tế,
phương pháp QM chỉ được giải quyết chính xác cho một hệ thống điện tử [60,
100]. Vô số các phương pháp đã được phát triển cách giải gần đúng cho các hệ
thống đa điện tử. Hai phương trình QM được phát triển bởi Schrödinger và
Heisenberg. Phương trình Schrödinger là phương trình cơ bản cho hầu hết các
phương pháp hóa tính toán [60, 100].
9


Ĥ = E

(1.2)

Trong phương trình Schrödinger Ĥ là toán tử Hamiltoni,  là hàm sóng, E là
năng lượng. Phương trình này được gọi là phương trình riêng.  được gọi là hàm trị
riêng, E là trị riêng.
Hàm sóng  là hàm xác định vị trí của electron và hạt nhân. Electron được
mô tả như một hàm sóng. Nó mô tả xác suất của trạng thái điện tử. Như vậy, nó có
thể mô tả xác suất tìm thấy các electron ở các vị trí nhất định, nhưng nó không thể
đoán chính xác vị trí điện tử. Hàm sóng cũng được gọi là mật độ xác suất bởi vì
bình phương của hàm sóng là hàm xác suất. Đây là ý nghĩa chính xác của hàm sóng.
Để có được một giải pháp vật lý thích hợp có liên quan của phương trình
Schrödinger, hàm sóng phải liên tục, đơn trị [60, 100].
Toán tử Hamilton Ĥ
p
p
qi q j

2
Hˆ   i  
rij
i 2mi
i j

(1.3)

2
2
2


xi2 yi2 zi2

(1.4)

i2 

Với i2 là toán tử Laplac đối với hạt (p) i, các hạt gồm cả điện tử và hạt
nhân, mi và qi là khối lượng và điện tích hạt i, p là tổng số hạt, rij là khoảng cách
giữa các hạt. Số hạng đầu tiên biểu thị cho động năng của hạt trong một phương
trình sóng. Các số hạng bổ sung có thể xuất hiện trong toán tử Hamiltonion tương
tác với bức xạ điện từ hoặc trường được tính đến. Trong phần mềm QSARIS hiện
có, toán tử Hamiltonion ở trên là gần như chưa từng được sử dụng. Vấn đề có thể
được đơn giản hóa bằng cách tách các chuyển động hạt nhân và electron. Điều này
được gọi là xấp xỉ Born – Oppenheimer. Toán tử Hamilton cho một phân tử với các
hạt nhân tĩnh là:
e
e

2 n e Z
1
Hˆ   i   i  
2
rij
i
i
j rij
i j

(1.5)

10


Ở đây chỉ xét động năng của electron và lực hút giữa electron và hạt nhân và
lực đẩy của các điện tử. Sự chuyển động của hạt nhân có thể được mô tả bằng cách
xem xét toàn bộ tính toán thế năng khi các hạt nhân di chuyển [60, 100].
Khi hàm sóng đã được xác định, bất kỳ thuộc tính nào của phân tử đều có thể
được xác định. Điều này được thực hiện bằng cách tính giá trị mong muốn của toán
tử cho tính chất đó, được biểu thị bằng dấu ngoặc vuông < >. Ví dụ, năng lượng là
giá trị kỳ vọng của toán tử Hamilton được đưa ra bởi:
 E   * Hˆ 

(1.6)

Đối với một hàm sóng gần đúng, có thể tính xấp xỉ năng lượng, đó là cơ sở
cho nhiều kỹ thuật được mô tả trong các tính toán khác. Bằng cách thay thế các toán
tử khác, có thể có được các tính chất quan sát rõ ràng, chẳng hạn như moment lưỡng
cực hoặc mật độ electron. Một cách khác để có được tính chất phân tử là sử dụng

định lý Hellmann-Feynman. Định lý này khẳng định rằng các thuộc tính năng lượng
với tính chất P mong muốn được cho bởi:
dE
H

dP
P

(1.7)

Mối quan hệ này thường được sử dụng để tính toán tính chất electron. Không
phải tất cả phương pháp xấp xỉ tuân theo định lý Hellmann-Feynman. Chỉ các
phương pháp biến thể tuân theo định lý Hellmann-Feynman [60, 100].
1.3.3. Phương pháp bán thực nghiệm
Các phương pháp bán thực nghiệm sử dụng trong luận án gồm phương pháp
CNDO, INDO, MNDO, AM1, PM3, TNDO (Phụ lục 60) [60, 100].
Phương pháp QM dùng để tính toán các thông tin cấu trúc phân tử như: điện
tích (Qi), cấu trúc phổ NMR (i), tham số hóa lý, …. Phương pháp hóa lượng tử
được chọn phải phù hợp với đối tượng nghiên cứu, mức độ chính xác, thời gian tính
toán cũng như kích thước của hệ [60, 100]. Các tham số cấu trúc phân tử được tính
toán được đưa ra ở Phụ lục 58.

11


1.4. CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC
1.4.1. Hồi quy đa biến
Trong hồi quy, các biến số độc lập x và biến phụ thuộc y là các giá trị quan
sát. Tương ứng với một giá trị của x chỉ có 1 giá trị y duy nhất lúc này y là hàm của
x có dạng (y = f (x)) [51, 66]. Tuy nhiên, chúng ta hay gặp trường hợp cùng một giá

trị x trong các thí nghiệm có thể có các giá trị y khác nhau do ảnh hưởng của các
yếu tố khác. Khi đó sự phụ thuộc được gọi là xác suất và các giá trị y là một hàm
với các giá trị ngẫu nhiên. Nếu chỉ có trường hợp Y là biến ngẫu nhiên rời rạc và X
là giá trị rời rạc, để xác định y bằng cách sử dụng phân phối như ma trận sau:
X

Y

x1

x2

…

xm

y1

p1(x1)

p1(x2)

…

p1(xm)

y2

p2(x1)

p2(x2)

…

p2(xm)

…

…

…

…

…

yN

pN (x1)

pN (x2)

…

pN (xm)

Trong đó xk (k = 1, 2, …, m) là các giá trị có thể có của X, yi (i = 1, 2, ..., N)
là các giá trị có thể có Y và pi(xk) là xác suất xuất hiện của yi nếu X = xk , với k bất
kỳ, ta có đẳng thức sau:
N

 p (x
i 1

i

k

) 1

(1.8)

Giả sử Y/(X = xk) là biến ngẫu nhiên tương ứng với giá trị của xk. Phân bố
nằm trong cột thứ k của ma trận. Các giá trị trung bình (M) của biến Y được tính:
N

M [Y /( X  x k )]   y i  pi ( x k )

(1.9)

i 1

Và các giá trị X khác nhau, được xem như hàm g ( X )  M [Y / X ] . Hàm g(X)
được gọi là hàm hồi quy của Y đối với X.
Như đề cập ở phần trên cho trường hợp phụ thuộc ngẫu nhiên của biến Y với
nhiều biến độc lập X1, X2, …, Xp, sự phân bố của Y trong trường hợp này được mô tả

12