Nghiên cứu hoạt tính sinh học của một số hợp chất trong cây trinh nữ hoàng cung việt nam (crinum latifolium l ) với miền tyrosine kinase của thụ thể HER2 bằng phương pháp in silico

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

TRẦN TƯỜNG SƠN

NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT
TRONG CÂY TRINH NỮ HOÀNG CUNG VIỆT NAM (Crinum
latifolium L.) VỚI MIỀN TYROSINE KINASE CỦA THỤ THỂ
HER2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN SILICO


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
•••

Bình Định - Năm 2020
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

TRẦN TƯỜNG SƠN

NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT
TRONG CÂY TRINH NỮ HOÀNG CUNG VIỆT NAM (Crinum
latifolium L.) VỚI MIỀN TYROSINE KINASE CỦA THỤ THỂ
HER2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN SILICO

Chun ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí
Mã số:

8440119

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Người hướng dẫn: PGS. TS. VŨ THỊ NGÂN
• •

TS. DIỆP THỊ LAN PHƯƠNG


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu và kết quả sử dụng trong luận văn là trung thực
và chưa từng được cơng bố trong các cơng trình khác.


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Hóa học tính tốn và
Mơ phỏng thuộc bộ mơn Hóa học, khoa Khoa Học Tự Nhiên trường Đại học
Quy Nhơn.
Lời đầu tiên cho em xin được bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến
PGS. TS. Vũ Thị Ngân và TS. Diệp Thị Lan Phương đã ln ln tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo, động viên em trong suốt q trình thực hiện nghiên cứu để
hồn thành luận văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy, Cơ trong Bộ mơn Hóa học, Khoa
Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn đã trang bị cho chúng em
những kiến thức khoa học giá trị.
Ngoài ra, em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô, anh chị nghiên cứu
sinh và các bạn học viên, sinh viên trong Nhóm Hóa học tính tốn và Mơ
phỏng đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện
nghiên cứu.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè đã ln ở bên cạnh động
viên và giúp đỡ để em hoàn thành luận văn này.

Tác giả
Trần Tường Sơn


MỤC LỤC
••
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT
••
ADMET

Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion and
Toxicity (Hấp thu, phân chia, trao đổi chất, bài tiết và
độc tính)

ATP

Adenosine Triphosphate

DFT

Density Functional Theory (Thuyết phiếm hàm mật độ)

DNA

Deoxyribonucleic Acid

ECD

EGFR

Extracellular domain (Miền ngoại bào)
Epidermal Growth Factor Receptor (Thụ thể yếu tố tăng
trưởng biểu bì)
Erythroblastic B

ErbB
FDA

Food and Drug Administration (Cơ quan Quản lý Thực
phẩm và Thuốc Hoa Kỳ)

GA

Genetic Algorithm (Thuật tốn di truyền)

GS
HER2

Global Search (Tìm kiếm tồn phần)
Human Epidermal Growth Factor Receptor 2 (Thụ thể
yếu
tố tăng trưởng biểu bì ở người loại 2)
Tyrosine kinase domain of Human Epidermal Growth

HER2-TK

Factor Receptor 2 (Miền tyrosine kinase của thụ thể yếu
tố

HF
In silico
In vitro

Hartree-Fock
Phương pháp thực hiện mơ phỏng thí nghiệm trên máy
tính
Phương pháp thực hiện thí nghiệm trong ống nghiệm

In vivo

Phương pháp thực hiện thí nghiệm trên cơ thể sống

Ki

Inhibition constant (Hằng số ức chế)


LGA

Lamarckian Genetic Algorithm (Thuật tốn di truyền
Lamarckian)

LS

Local Search (Tìm kiếm cục bộ)

MC

Monte Carlo (Phương pháp Monte Carlo)

Molecular Dynamic (Phương pháp động lực học phân

MD
PDB
SBDD

tử )
Protein Data Bank (Ngân hàng dữ liệu protein)
Structure-Based Drug Design (Thiết kế thuốc dựa trên
cấu trúc)

SF

Scoring Functions (Hàm đánh giá)

TM

Transmembrane domain (Miền xuyên màng)

TNHC
RNA

Trinh nữ hoàng cung
Ribonucleic Acid


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Tên bảng
2.1 Tên gọi, tên viết tắt và tính chất của các amino acid cơ bản

Một số phân tử thuốc tổng hợp đã được công nhận trong
2.2
điều trị ung thư do sự biểu hiện quá mức của HER1 và
HER2loại khoa học của Trinh nữ hoàng cung Việt Nam
2.3 Phân
2.4 Các hợp chất alkaloid trong Trinh nữ hoàng cung Việt Nam
2.5 Các hợp chất flavonoid trong Trinh nữ hoàng cung Việt
Các hợp chất khác trong Trinh nữ hoàng cung Việt Nam
2.6 Nam
3.1 Kết quả docking các thuốc tổng hợp với HER2-TK
Một số loại thuốc điều trị ung thư có nguồn gốc thực vật
3.2
được FDA cơng nhận và thương mại hóa
Kết quả docking các thuốc có nguồn gốc thiên nhiên với
3.3
HER2-TK
3.4 Kết quả docking các hợp chất alkaloid với HER2-TK
3.5 Kết quả docking các hợp chất flavonoid với HER2-TK
Kết quả docking các hợp chất coumarine và ester với
3.6
HER2- TK

Trang
39
45
47
49-50
51
52
56

62-63
64
69-70
78
83


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình

Tên hình

Sơ đồ minh họa về việc ghép một phối tử phân tử nhỏ (màu
xanh lá cây) vào protein đích (màu đen) tạo ra một phức bền
1.2 Mơ tả sơ đồ tính SF dựa vào tri thức
Các tương tác được hình thành trong các phức hợp phối tử và
1.3
protein
2.1 Cấu trúc tinh thể của HER2-TK với phối tử SYR127063
3.1 Tương tác của lapatinib với tâm hoạt động của HER2-TK
3.2 Tương tác của neratinib với tâm hoạt động của HER2-TK
3.3 Tương tác của erlotinib với tâm hoạt động của HER2-TK
3.4 Tương tác của gefitinib với tâm hoạt động của HER2-TK
3.5 Tương tác của camptothecin với tâm hoạt động của HER23.6 TK
Tương tác của taxol với tâm hoạt động của HER2-TK
3.7 Tương tác của etoposide với tâm hoạt động của HER2-TK
Đồ thị năng lượng tự do liên kết (AG - kcal/mol) của các
3.8
phân tử hợp chất alkaloid với HER2-TK
Tương tác của alkaloid thuộc nhóm tương tác tốt với tâm

3.9
hoạt động của HER2-TK
3.10 Tương tác của A-32 với tâm hoạt động của HER2-TK
Tương tác của một số hợp chất alkaloid có khả năng ức chế
3.11
trung bình với HER2-TK
Tương tác của một số hợp chất alkaloid có khả năng ức chế
3.12
kém với HER2-TK
Đồ thị năng lượng tự do liên kết (AG - kcal/mol) của các
3.13
phân tử hợp chất flavonoid với HER2-TK
Tương tác của các hợp chất flavonoid có khả năng ức chế tốt
3.14
với HER2-TK
3.15 Tương tác của các hợp chất coumarine, ester với HER2-TK
1.1

Trang
16
29
31
43
57
59
60
61
66
66
67

71
72
73
75
77
79
80
84


11

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ung thư đã và đang là căn bệnh gây ra tỉ lệ tử vong cao trên thế giới hiện
nay và được xác định là do sự phân chia tế bào một cách không kiểm sốt do
đột biến gene [1]. Trong đó, sự hoạt động quá mức của HER2 (Human
Epidermal Growth Factor Receptor 2) - thụ thể tăng trưởng biểu bì ở người
được cho là nguyên nhân gây ra nhiều bệnh ung thư phổ biến với số lượng mắc
mới và tử vong cao hiện nay như ung thư vú [2], [3], ung thư dạ dày [4], [5],
ung thư tuyến tiền liệt 161... Trong những năm gần đây, việc chữa trị ung thư
đang chuyển hướng từ việc sử dụng các phương pháp truyền thống (phẫu thuật,
hóa trị, xạ trị) sang việc sử dụng các loại thuốc nhắm mục tiêu vào các thụ thể
hay protein gây bệnh [7], [8], [9]. Phương pháp này được cho là có hiệu quả
cao vì nó giải quyết được ngun nhân trực tiếp gây ra bệnh ung thư, hạn chế
việc tiêu diệt các tế bào khỏe mạnh không bị bệnh. Đặc biệt, việc tìm hiểu và
sử dụng các loại thuốc có nguồn gốc thiên nhiên đang được ưu tiên hàng đầu vì
chúng hạn chế các tác dụng phụ ảnh hưởng xấu đến người bệnh do các loại
thuốc tổng hợp gây ra [10].
Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng các sản phẩm tự nhiên trong việc điều

trị nhiều loại bệnh, trong đó có các bệnh u xơ. Hiện nay, rất nhiều cơng trình
nghiên cứu cơng bố về tác dụng của các hợp chất thiên nhiên trong việc hỗ trợ
điều trị và điều trị ung thư. Ở Việt Nam, cây Trinh nữ hoàng cung (TNHC), tên
khoa học là Crinum latifolum L., đã từ lâu được sử dụng như sản phẩm hỗ trợ
điều trị nhiều loại u xơ và ung thư [11], [12], [13]. Đã có nhiều nghiên cứu in
vivo và in vitro về hoạt tính sinh học của các hợp chất thiên nhiên chiết xuất từ
loại cây này [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], tuy nhiên, chưa
có nghiên cứu ở mức độ phân tử nào đánh giá một cách căn bản hoạt tính của
các hợp chất trong Trinh nữ hoàng cung với miền tyrosine kinase của thụ thể


12

HER2 để tìm hiểu về tác dụng kháng ung thư của cây thuốc quý này. Do đó
cần thiết phải có một nghiên cứu đánh giá cụ thể tương tác của các phân tử hợp
chất trong cây Trinh nữ hoàng cung với thụ thể HER2 để có cơ sở khoa học
vững chắc, rõ ràng cho các nghiên cứu sâu hơn nhằm phát triển các loại thuốc
nhắm mục tiêu có nguồn gốc thiên nhiên an toàn cho con người.
Với sự phát triển của khoa học máy tính và khoa học tính tốn, việc ứng
dụng các phương pháp in silico ngày càng trở nên phổ biến và quan trọng trong
việc thiết kế thuốc nhắm mục tiêu nhằm giảm thời gian, chi phí và các ảnh
hưởng xã hội khi thực hiện các thử nghiệm. Bên cạnh đó, các phương pháp này
giúp đánh giá tồn diện hoạt tính sinh hóa của các loại phân tử mục tiêu với
thụ thể protein. Vì vậy, tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu hoạt tính sinh học của
một số hợp chất trong cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam (Crinum
latifolium L.) với miền tyrosine kinase của thụ thể HER2 bằng phương pháp
in silico.”
3
2

A

. Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu đề tài
HER2 là thụ thể tăng trưởng biểu bì ở người, nó cịn được biết với một số

tên khác như ErbB2, c-erbB2 hoặc HER2/neu. HER2 là một trong 4 thụ thể
thuộc họ EGFR bao gồm HER1 (EGFR), HER2, HER3 và HER4 [23]. Thụ thể
HER2 có cấu trúc gồm 3 miền: miền ngoại bào (extracellular domain), miền
xuyên màng có cấu trúc a-helix (transmembrane domain) và miền nội bào
tyrosine kinase (intracellular tyrosine kinase domain) [24]. Trong đó, miền
tyrosine kinase có chức năng như một công tắc “bật” và “tắt” cho nhiều chức
năng của tế bào, chẳng hạn như chức năng phân chia tế bào. Khi miền này bị
độ biến, ví dụ ở mắc kẹt ở trạng thái “bật” và gây ra sự tăng trưởng khơng
kiểm sốt của tế bào, từ đó hình thành nên các khối u và phát triển thành ung
thư. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, sự hoạt động quá mức của thụ thể HER2 là


13

nguyên nhân gây ra nhiều bệnh ung thư phổ biến ở người như ung thư vú [2],
[3], ung thư buồng trứng [25], ung thư tuyến tiền liệt [6], ung thư dạ dày [4],
[5]. Do vậy, việc tìm ra các loại thuốc mục tiêu có khả năng ức chế hoạt động
của HER2 nói chung, cụ thể là miền tyrosine kinase là một hướng nghiên cứu
thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Nghiên cứu lâm sàng về sự kết
hợp của các dòng thuốc kháng thể đơn bào trastuzumab với miền ngoại bào
cho thấy hiệu quả đáng ngạc nhiên trong điều trị ung thư [26]. Tuy nhiên, một
số nghiên cứu cũng chỉ ra tác dụng phụ liên quan đến tim gây lo ngại về an
toàn trong việc sử dụng loại thuốc này [27], [28]. Ngoài ra, các loại thuốc phân
tử nhỏ với tyrosine kinase cũng cho ra nhiều kết quả tốt trong điều trị nhiều
loại ung thư gây ra bởi HER2. Lapatinib (C29H26ClFN4O4S) là một chất có cấu

trúc phân tử nhỏ có khả năng ức chế đối với HER2. Nó được phát triển như
một loại thuốc an toàn và hiệu quả để điều trị các bệnh ung thư do sự biểu hiện
quá mức của HER1 hoặc HER2 [29]. Các loại thuốc trên đều được sử dụng
rộng rãi trong y học hiên nay vì hiệu quả cao, tuy nhiên, điều trị liên tục bằng
các tác nhân tổng hợp thường gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng. Nghiên cứu
về khả năng tương tác của các hợp chất chiết xuất từ thiên nhiên với thụ thể
HER2 ở cấp độ phân tử gần đây đã được thực hiện. Năm 2014, Yim-im và
cộng sự đã nghiên cứu về tương tác của các hợp chất trong họ curcuminoid với
miền tyrosine kinase thụ thể HER2 (HER2-TK) bằng phương pháp mô phỏng
docking phân tử và động lực học phân tử [30]. Các hợp chất được nghiên cứu
sở hữu nhiều tương tác khác biệt hơn các chất ức chế miền tyrosine kinase của
HER2 đã biết, có thể xem chúng như một loại thuốc đầy triển vọng trong
tương lai gần. Ngoài ra, các chất ức chế HER2 mới chống lại ung thư dạ dày
có nguồn gốc từ nguồn flavonoid của Syzygium Alternifolium được
Tirumalasetty và cộng sự nghiên cứu một cách chi tiết [31]. Trong đó, các hợp
chất flavonoid được sàng lọc bằng phương pháp docking phân tử theo năng


14

lượng liên kết (kcal/mol), sau đó, tiến hành mơ phỏng động lực phân tử để xác
định phức hợp ligand-protein mạnh nhất. Kết quả cho thấy các hợp chất
flavonoid này có khả năng tương tác tốt, ức chế hoạt động của thụ thể HER2.
Trinh nữ hoàng cung (Crinum latifolium L.) hay còn gọi náng lá rộng, tỏi
lơi lá rộng, tây nam văn châu lan, vạn châu lan hay thập bát học sỹ là một lồi
thực vật có hoa trong họ Thủy tiên (Amaryllidaceae). Loài này ở Việt Nam
được Carl Linnaeus miêu tả khoa học đầu tiêu năm 1753. Theo kinh nghiệm
dân gian, lá cây TNHC có thể dùng để chữa những trường hợp u xơ và ung thư
tử cung, u xơ và ung thư tuyến tiền liệt [11], [12]. Theo y học hiện đại, trong
TNHC có chứa những hoạt chất sinh học với khả năng ngăn chặn sự phát triển

của tế bào u và kích thích tế bào lympho T hoạt động và phát triển qua đó tăng
cường hoạt động miễn dịch [16]. Đồng thời chỉ trong TNHC mới có các hoạt
chất như crinafolidine, crinafoline, pratorimine có tác dụng hỗ trợ trị liệu
chứng phì đại lành tính tuyến tiền liệt và u xơ tử cung và hoạt chất ức chế sự
tăng trưởng của tế bào ung thư [15]. Các kết quả nghiên cứu dược lý cho thấy
cao methanol của thân, rễ và cao chiết alkaloid của TNHC đều có tác dụng ức
chế phân bào [13], [32]. Một số alkaloid trong cây có hoạt tính sinh học cao
như lycorine ức chế protein và DNA của tế bào chuột, đồng thời ức chế u báng
cấy ở chuột [33].
Trong những năm trở lại đây, việc tìm ra các thụ thể và thuốc mới an tồn
hơn, nhanh hơn và với chi phí thấp hơn đang là nhu cầu cấp thiết của cả thế
giới. Để đạt được các mục tiêu này, các phương pháp tính tốn, mơ phỏng
trong q trình khám phá thuốc đã trở nên rất quan trọng. Sự tiến bộ liên tục
trong việc ứng dụng sức mạnh tính tốn vào hóa học và sinh học đã tác động
đáng kể đến quy trình phát triển thuốc hiện đại [34]. Trong thế giới ngày nay,
ngoài một số công nghệ omics, các công nghệ hiện đại khác như hóa học tổng
hợp, sàng lọc ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion and


15

Toxicity) và thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc (Structure-Based Drug Design SBDD) đã cách mạng hóa q trình khám phá thuốc [35]. Quan trọng hơn, vai
trị của máy tính và kỹ thuật tính tốn, mơ phỏng trong q trình phát hiện và
phát triển thuốc đã trở nên phổ biến và được thực hiện. Một ví dụ đơn giản là
nghiên cứu tương tác thuốc. So với các phương pháp thực nghiệm truyền
thống, các phương pháp in silico có ưu thế giúp thiết kế những phân tử thuốc
mới với những ưu thế vượt trội, giúp hiểu rõ bản chất phân tử của các tương
tác thuốc, điều mà hiện nay đang rất khó khăn đối với thực nghiệm. Ngồi ra
chúng cho phép dự đốn hoạt tính sinh học thơng qua việc sử dụng các mơ
hình tốn học, nghiên cứu dự đốn cơ chế tác dụng, cơ chế gây độc của các

hợp chất. Các phương pháp thử nghiệm rất tốn nhiều thời gian và kinh phí, do
đó, việc dự đốn về các tương tác giữa thuốc và các mục tiêu bằng phương
pháp in silico ở cấp độ phân tử cung cấp thông tin có giá trị trong việc hỗ trợ
dữ liệu thử nghiệm. Do đó, các phương pháp tính tốn được coi là cần thiết bổ
sung cho các kỹ thuật thí nghiệm [36], [37].
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
- Mơ phỏng docking phân tử và phân tích tương tác của các phân tử hợp
chất có trong cây Trinh nữ hồng cung Việt Nam với miền tyrosine
kinase của thụ thể HER2.
- So sánh khả năng tương tác giữa các phân tử các chất có trong Trinh nữ
hồng cung và tyrosine kinase của thụ thể HER2 với các loại thuốc đang
được sử dụng. Từ đó đề xuất các hợp chất có tiềm năng trong việc ức
chế hoạt động miền tyrosine kinase của thụ thể HER2.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Đối tượng nghiên cứu: Thuốc mục tiêu nhắm miền tyrosine kinase của
thụ thể HER2.


16

+ Phạm vi nghiên cứu: Hoạt tính sinh học của một số hợp chất chiết xuất từ
cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam đối với thụ thể HER2.
5. Phương pháp nghiên cứu
Các phần mềm máy tính đã được ứng dụng vào nhiều giai đoạn của quá
trình nghiên cứu và phát triển thuốc, từ tìm kiếm các hợp chất hóa học có hoạt
tính sinh học, đến tối ưu hóa cấu trúc các hợp chất này nhằm tăng hoạt tính
sinh học, giảm độc tính, tăng các tính chất dược động học của thuốc, đến các
giai đoạn nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng. Chúng được gọi chung là các
phương pháp “in silicó” nhằm phân biệt với các phương pháp in vivo và in
vitro. Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đề ra chúng tôi sử dụng các

phương pháp in silico gồm hóa học lượng tử và docking phân tử.
Trong luận văn này, trước tiên, chúng tơi cịn sử dụng phần mềm hóa học
lượng tử Gaussian 09 nhằm tối ưu hóa các cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ
bằng phương pháp phiếm hàm mật độ B3LYP và bộ hàm cơ sở tách đôi kết
hợp kết hợp với hàm khuếch tán và hàm phân cực 6-31++G(d,p). Sau đó, để
tìm hiểu bản chất tương tác của các hợp chất với miền tyrosine kinase thụ thể
HER2, chúng tôi tiến hành phương pháp mô phỏng docking phân tử
(Molecular Docking) bằng phần mềm Autodock 4.2.
Docking phân tử là một phương pháp cho phép dự đốn định hướng ưu tiên
của một phân tử (thường có kích thước nhỏ hơn) vào phân tử thứ hai (thường
có kích thước lớn hơn) khi chúng tương tác với nhau để tạo thành một phức ổn
định. Các định hướng ưu tiên lần lượt có thể sử dụng để dự đốn độ bền liên
kết giữa hai phân tử dựa trên hàm đánh giá (scoring function) cũng như vị trí
gắn kết [38]. Docking phân tử thường được áp dụng trong quá trình thiết kế
thuốc dựa vào cấu trúc mục tiêu tác động, nghiên cứu khả năng gắn kết một
hay nhiều phân tử hợp chất (ligand) vào hốc gắn kết (binding site - active site)


17

của protein, enzyme, DNA... trong cấu trúc ba chiều [38].
Docking phân tử có vai trị quan trọng trong việc dự đốn ái lực và hoạt
tính của các dược chất đối với protein, từ đó dự đốn khả năng hoạt hóa hoặc
ức chế một protein chức năng. Bên cạnh đó docking phân tử cũng giúp dự
đốn tâm hoạt động, vị trí, cấu hình thuận lợi của ligand tham gia phản ứng khi
xem xét cơ chế xúc tác của enzyme (cũng là một loại protein chức năng).
Docking phân tử trở thành phương pháp tối ưu để giải quyết bài tốn tìm vị trí
và cấu hình phù hợp nhất của một ligand gắn kết lên protein [39].
Ngồi ra chúng tơi cịn sử dụng các phần mềm hỗ trợ đồ họa và phân tích
kết quả như PyMol, AutoDock Tools, Gaussview, Origin 8.5, ...

6. Cấu trúc luận văn
Chương 1. Cơ sở lý thuyết của một số phương pháp in silico
- Tổng quan cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử: Phương trình Schrodinger,
phương pháp DFT, khái niệm về các bộ hàm cơ sở thường dùng trong
hóa học tính tốn.
- Tổng quan cơ sở lý thuyết về phương pháp docking phân tử: giới thiệu về
phương pháp docking phân tử, các dạng mô phỏng docking, các phần
mềm mơ phỏng docking và quy trình thực hiện mơ phỏng docking.
Chương 2. Tổng quan về hệ chất nghiên cứu
- Giới thiệu khát quát về protein HER2 về cấu tạo, chức năng trong tế bào,
ảnh hưởng của protein HER2 trong bệnh ung thư. Bên cạnh đó, giới
thiệu tình hình nghiên cứu các loại thuốc mục tiêu nhắm thụ thể HER2
trong điều trị và hổ trợ điều trị ung thư.
- Giới thiệu khái quát về cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam: thành phần
hóa học; các hợp chất có hoạt tính sinh học trong cây Trinh nữ hoàng cung.


18

Chương 3. Kết quả và thảo luận
- Trình bày các kết quả đạt được sau khi tiến hành mô phỏng docking phân
tử về năng lượng liên kết, hằng số ức chế và phân tích các tương tác của các
hợp chất được chiết xuất từ cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam với thụ thể
HER2. Các chất này được phân loại theo các hợp chất alkaloid, flavonoid,...
Đồng thời, so sánh khả năng tương tác của các hợp chất trên với các loại thuốc
hiện hành.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả của nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ bản chất tương tác giữa các
phân tử có cấu trúc phân tử nhỏ với miền tyrosine kinase của thụ thể HER2.
Bên cạnh đó, nghiên cứu so sánh khả năng tương tác giữa các phân tử thuốc

tổng hợp với các phân tử hợp chất thiên nhiên, từ đó, đề nghị những hợp chất
thiên nhiên chiết xuất từ cây Trinh nữ hồng cung Việt Nam có tiềm năng trong
việc ức chế hoạt động của thụ thể HER2. Kết quả nghiên cứu góp phần quan
trọng trong nghiên cứu và thiết kế thuốc mục tiêu có nguồn gốc từ thiên nhiên
nhằm điều trị và hổ trợ điều trị các loại bệnh ung thư có tác nhân là thụ thể
HER2.


NỘI DUNG LUẬN VĂN
••

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP
IN SILICO
Các phương pháp in silico là các phương pháp tiến hành các thí nghiệm
bằng mơ phỏng trên máy tính. Với sự phát triển của khoa học máy tính, các
phương pháp in silico ngày càng trở nên thơng dụng và trở thành một công cụ
quan trọng trong nhiều nghiên cứu. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng
hai phương pháp in silico là phương pháp tính tốn hóa lượng tử phiếm hàm
mật độ và phương pháp mô phỏng docking phân tử.
1.1.

PHƯƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ

Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT) [40], [41]
xuất phát từ quan điểm cho rằng năng lượng của một hệ các electron có thể
được biểu thị như một hàm của mật độ electron p( r ). Thật vậy, năng lượng
của hệ các electron E [p( r)] là một phiếm hàm đơn trị của mật độ electron.
1.1.1. Mơ hình Thomas - Fermi
Năm 1927, Thomas và Fermi chỉ ra sự tồn tại của một phiếm hàm năng
lượng, và tìm ra một biểu thức năng lượng Thomas - Fermi cho nguyên tử dựa

trên mật độ electron là:
ETF[p] = -3(3K2)2/3jp5/3(r)dr-Zjdr p’i i + 1 Ídr1dr2 p(r)py
r

10

(1.1)

-K - r 2 r - r

Trong đó Z là điện tích của hạt nhân, R là vectơ toạ độ của hạt nhân, r là
vectơ toạ độ electron. Phương trình này chỉ dùng cho ngun tử (có một hạt
nhân). Mơ hình Thomas - Fermi q đơn giản, khơng dùng được cho phân tử,
độ chính xác khi dùng cho các nguyên tử cũng không cao, chỉ nghiệm đúng
trong một số ít trường hợp (coi electron là các hạt độc lập).


1.1.2. Các định lý Hohenberg-Kohn
Hohenberg và Kohn đã đưa ra hai định lý cơ bản để áp dụng thuyết DFT
vào hóa học và chứng minh năm 1964.
Định lý 1: Mật độ electron p( r ) xác định thế ngoài Vext( r), hàm sóng y( r)
cũng như các tính chất khác của hệ ở trạng thái cơ bản.
Định lý 2: Đối với một ma trận mật độ thử p(r) sao cho ma trận mật độ thử
đó là khơng âm và í p(r) d r = N thì ta có:
r

(1.2)

1-0^ E [ p( ) ]

Trong đó E0 là năng lượng ở trạng thái cơ bản. Biểu thức (1.2) tương tự
nguyên lý biến phân với E = E I \|/( r)].
d
Do đó, tại d—
r;E [p(r)] = 0 thì p(r) xác định năng lượng của hệ ở trạng thái
p(r)
cơ bản, điều này được áp dụng khi xây dựng các phương trình Kohn-Sham.

1.1.3. Các phương trình Kohn-Sham
Về ngun tắc, có tồn tại một phiếm hàm mơ tả chính xác năng lượng của
các hệ phân tử, tuy nhiên đến nay phiếm hàm đó vẫn chưa được tìm ra.
Phương pháp Kohn-Sham cho phép chúng ta tìm ra phiếm hàm năng lượng
thơng qua hàm sóng của một hệ chuẩn khơng có tương tác electron. Xét hệ có
N electron ghép đôi. Năng lượng của hệ theo Kohn-Sham ở trạng thái cơ bản
được xác định theo biểu thức:
E[p(r )] = T[p(r )] +

)ddR + E

xc

[p(i

)Vext (r )dr

Trong đó: T[p(rr)] là phiếm hàm động năng của các electron:

(1.3)

N

T[p( ĩ )] = -1 ±JV(ĩ )V Vi (r) d r

(1.4)

2

1

(r) là hàm khơng gian 1 electron, cịn gọi là obitan Kohn-Sham.

Exc[ p( rĩ )] là năng lượng tương quan trao đổi của hệ.
/p( r )Vext (r) d r biểu thị năng lượng hút giữa hạt nhân và electron.
Số hạng còn lại biểu thị năng lượng tương tác Coulomb giữa 2 mật độ
electron toàn phần p(r ), p(r ).
ĩ

»

2

v2

1

_ g Zỷeee

+

ĩ

p >2
dĩ

J

+

V

XC

ĩ)

ĩ)

(

(

=

ĩ)

(

(1.5)

4

m
2=1 ^0 12
>n?0 12
Phương trình Kohn-Sham:
2

r

4

r

Trong đó: Sị là năng lượng orbital Kohn-Sham
VXC là thế tương quan trao đổi: VXC = $ XC [p]
E

(1.6)

Nếu EXC[p] đã được biết thì thu được VXC[p]. Nhưng dạng chính xác của
EXC[p] hiện tại chưa tìm ra. Khi có dạng của EXC[p] thì (1.6) cũng được giải
theo phương pháp trường tự hợp SCF thu được các orbital không gian 1
electron là iPị(Ãị). Từ các orbital Kohn-Sham có thể tính được p(r) theo biểu
thức:
2

N

p(r ) =

(ĩ

i=1

I.


Sự phát triển của lý thuyết DFT ngày nay là tập trung vào việc làm sao để
có phiếm hàm EXC[p] ngày càng mô tả tốt hơn các hệ phân tử. Các phương
pháp DFT khác nhau ở dạng của EXC[p]. Các phiếm hàm đó thường được xây
dựng dựa vào việc so sánh với kết quả thực nghiệm hoặc so sánh với kết quả
tính tốn theo lý thuyết ở mức cao. Thơng thường năng lượng trao đổi tươngquan EXC được tách thành hai phần riêng biệt, phần trao đổi Ex và phần
tương quan EC.
Các phiếm hàm tương quan trao đổi EXC được xây dựng dựa trên các sự gần
đúng sau:
Sự gần đúng mật độ tại chỗ (Local density approximation, LDA): phiếm
hàm EXC chỉ phụ thuộc mật độ electron tại vị trí r.
Sự gần đúng mật độ spin tại chỗ (Local spin density approximation,
LSDA): tương tự LDA nhưng có thêm hàm spin.
Sự gần đúng gradient tổng quát (Generalized Gradient Approximation,
GGA): phiếm hàm EXC ngồi sự phụ thuộc p(r), cịn phụ thuộc vào đạo hàm
bậc nhất của nó.
1.1.4. Một số phiếm hàm trao đổi
- Hàm trao đổi được xây dựng bởi Slater áp dụng sự gần đúng LDA
= J 4 d/p( )

E [ p]

x

-

r 5 dr

1

Thế tương ứng là:

ự“P] = -(| p(r )]5

- Hàm trao đổi phụ thuộc vào mật độ spin địa phương áp dụng sự gần đúng
LSDA


(p,ỉ)=s. (p.o) + f (sfe. (p.1) - e, (p.o))
44

Với f (s) là hàm nội suy. f (s) =

(1 + s); - (1

4

S) - 2

-

25 - 2
11 1
P. .i)= 'C..P’ ;
p

2

e,(p.0)=Cxp5

Cx=


- Hàm trao đổi Beck's 1988 (B88) áp dụng sự gần đúng GGA.
B88

b

x

[p]=

b

x

LDA

1 --K *2,^
VA ^

p]

1 + 6 z sinh 1 (z)

1

Trong đó: z = 23 ^Vp ,

A=ỉ íỉ:

p = 0,0042

:

p

- Hàm trao đổi Perdew-Wang (PW91) áp dụng sự gần đúng GGA.
PW91

1 + sa sinh psa, )+(a3 + ae 100s )s'2
1 + sa sinh-1(sa2 ) + a5s4

LDA

= ^x [p]

^x

Trong đó:

s

= —Vp 4
(24,7’ ) p

a1 = 0,19645; a2 = 7,7956; a3 = 0,2743; a4 = -0,1508; và a5 = 0,004.
1.1.5.

Một số phiếm hàm tương quan

- Hàm tương quan Lee, Yang và Parr (LYP) áp dụng sự gần đúng GGA.

X

s

rP p]

2
-a
b 3 CFpp - 2tw +1 (tw +1V P^
= -----—-T jp ■ P
1 + dp 3

t

Trong đó:

A
-V p

CF = á ì

2

w

a = 0,04918; b = 0,132; c = 0,2533; d =0,349
8p

VpW ^[pPPA

[p]+ pH[p,s,t]

- Hàm tương quan Perdew-Wang (PW91) áp dụng sự gần đúng GGA.
Trong đó: H=

1n
2a

+Cc [Cc(p)-Cc ]t e
0

1

2

-100s2


. 2a p
A = —r
p

2a

.-,"A

()
p

(rf ivp

-1

e

-1

t=

s có giá trị tương tự như ở hàm trao đổi PW91
a = 0,09; p = 0,0667263212;

Cc0 = 15,7559; Cc1 = 0,0035521

Cc(p) = C1 +

C + +CtT
1 + C5rs + < ■ + C7 r

với C1 = 0,001667; C2 = 0,002568; C3 = 0,023266;
C4 = 7,389 x 10-6; C5 = 8,723; C6 = 0,472 và C7 = 0,07389.
Hàm tương quan Vosko, Wilk và Nusair (VWN) áp dụng sự gần đúng LDA.
[p] = A 1n

x
2b
X(x) Q

-1

Q bx
2x -b X(x )

Ỳ

* + 2ib- '' > tan-'-Q.}
X (x) Q
2x+bJ

Trong đó các hàm x, X và Q
tương ứng là:
1

x=r,

rs = ( pj , X(x) = x + bx + x ,Q = (4c-b2)'
4

3

2

và các hằng số: A = 0,0621814; x0 = -0,409286; b = 13,0720; c= 42,7198

1.1.6. Một số phương pháp DFT thường dùng
Các phương pháp DFT thuần khiết
Mỗi một phương pháp DFT là sự kết hợp thích hợp giữa các dạng cụ thể
của phiếm hàm trao đổi và phiếm hàm tương quan.
- Phương pháp BLYP kết hợp phiếm hàm trao đổi B88 và phiếm hàm tương
quan LYP.