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

LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC

Bình Định – Năm 2020


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

Chun ngành:

Hóa lí thuyết và Hóa

Mã số:

lí 8440119

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


1

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 khơng 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 [6]… 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


2

các hợp chất trong Trinh nữ hoàng cung với miền tyrosine kinase của thụ thể
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 hồng 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 tồn 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.”

2. 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 α-helix (transmembrane domain) và miền nội bào tyrosine kinase
(intracellular tyrosine kinase domain) [24]. Trong đó, miền tyrosine kinase có
chức năng như một cơng 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 không 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


3

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 lượng liên kết (kcal/mol), sau đó, tiến


4

hành mô 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, ngồi một số cơng
nghệ omics, các cơng nghệ hiện đại khác như hóa học tổng hợp, sàng lọc
ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion and Toxicity)


5

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. Ngoài 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 thơng 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

hoàng 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.

6

+

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 silico” 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 đoán 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


7

hay nhiều phân tử hợp chất (ligand) vào hốc gắn kết (binding site - active site)
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].
Ngoài 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 Schrưdinger,

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 mô 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.


8

-

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 hồng cung.
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 hoàng 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.


9

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 ( r ). Thật vậy, năng lượng của
hệ các electron E [ ( r )] là một phiếm hàm đơn trị của mật độ electron.
1.1.1. Mô 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:
3
ETF[ ] = 10 (3 2)2/3 5/3(r)dr-Z
dr

(r)
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 quá đơn giản, không dùng được cho phân tử,
độ chính xác khi dùng cho các ngun tử cũng khơng cao, chỉ nghiệm đúng
trong một số ít trường hợp (coi electron là các hạt độc lập).


10

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 ( r ) xác định thế ngoài Vext( r ), hàm sóng ( 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

sao cho ma trận mật độ thử

(r )

đó là khơng âm và

d r = N thì ta có:
(r )

E0 E [

(r )

]

Trong đó E0 là năng lượng ở trạng thái cơ bản. Biểu thức (1.2) tương tự
nguyên lý biến phân với E = E [ ( r )].
Do đó, tại

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 đơi. Năng lượng của hệ theo Kohn-Sham ở trạng thái cơ bản
được xác định theo biểu thức:

E[ ( r

)] = T[ ( r

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


11

T[ ( r

i

(r ) là hàm không gian 1 electron, còn gọi là obitan Kohn-Sham.

Exc[ ( r )] là năng lượng tương quan trao đổi của hệ.
∫ ( 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 ( r1 ), ( r2 ).
Phương trình Kohn-Sham:
(1.5)
−
2me

Trong đó: i là năng lượng orbital Kohn-Sham
VXC là thế tương quan trao đổi: VXC =

(1.6)

E
XC

Nếu EXC[ ] đã được biết thì thu được V XC[ ]. Nhưng dạng chính xác của E XC[
] hiện tại chưa tìm ra. Khi có dạng của E XC[ ] thì (1.6) cũng được giải theo
phương pháp trường tự hợp SCF thu được các orbital không gian 1 electron

là

i

(r1) . Từ các orbital Kohn-Sham có thể tính được ( r

N

(r)=
i =1

Sự phát triển của lý thuyết DFT ngày nay là tập trung vào việc làm sao để
có phiếm hàm EXC[ ] ngày càng mơ tả tốt hơn các hệ phân tử. Các phương
pháp DFT khác nhau ở dạng của EXC[ ]. 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. Thông thường năng lượng trao đổi – tương


12

quan EXC được tách thành hai phần riêng biệt, phần trao đổi E x 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 ngoài sự phụ thuộc (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

Thế tương ứng là:
-

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

LSDA
x

LSDA ( , ) =

x

( ,0)+ f ( )( x ( ,1)− x ( ,0))



13

-

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

LDA

x

= − x1

1

Trong đó: z = 23

4
3

,

- Hàm trao đổi Perdew-Wang (PW91) áp dụng sự gần đúng GGA.
PW 91

x

= LDA1 + sa1 sinh−1 (sa2 )+ (a3 + a4e−100s )s2
2

x

1 + sa sinh− (sa )+ a s
1

4

125

Trong đó:

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.

A


- Hàm tương quan Perdew-Wang (PW91) áp dụng sự gần đúng GGA.
VcPW 91

Trong đó: H=

= cLDA

+ H

, s,t


14

7
6

A=

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

Cc( ) = C1 +

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.

c

VWN

=

2

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

1

s
x=r

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.


15

-

Phương pháp BP86 sử dụng phiếm hàm hiệu chỉnh B đối với năng lượng

trao đổi LSDA và phiếm hàm tương quan là phiếm hàm hiệu chỉnh gradient
cho phiếm hàm LSDA kí hiệu P86.
Các phương pháp DFT hỗn hợp
Các phiếm hàm hỗn hợp được tạo ra từ sự kết hợp một phần của năng
lượng trao đổi HF với năng lượng trao đổi DFT thuần khiết.
-

Phiếm hàm Half-and-Half: năng lượng trao đổi HF góp một nửa và năng

lượng trao đổi – tương quan LSDA góp một nửa vào phiếm hàm trao đổi –
tương quan:
-

Phương pháp B3LYP chứa phiếm hàm hỗn hợp B3, trong đó phiếm hàm

tương quan GGA là phiếm hàm LYP.
- Phiếm hàm B3: là phiếm hàm ba thông số của Becke:

E B3
xc

= (1 − a)E LSDA + a.E HF + b.E B + E LSDA + c. EGGA
x

a, b, c là các hệ số do Becke xác định: a = 0,2; b = 0,7; c = 0,8
-

Phương pháp B3P86 là phương pháp hỗn hợp chứa phiếm hàm hỗn hợp

B3, trong đó phiếm hàm tương quan GGA là phiếm hàm P86.
1.2. PHƯƠNG PHÁP DOCKING PHÂN TỬ
Docking phân tử là phương pháp dự đoán định hướng của một phân tử vào
một phân tử khác sao cho chúng tương tác với nhau và tạo ra một phức
(complex) bền [42].
Docking phân tử có thể được hiểu theo một cách đơn giản là việc lắp ghép hai
hình khối với nhau để tạo thành một thể thống nhất (Hình 1.1). Có thể chọn ra
một khối làm đích và khối cịn lại sẽ được đưa vào để lắp ghép. Khi tiến hành lắp
ghép, thực hiện cố định một khối và xoay khối còn lại, hoặc là đồng thời


16

xoay cả hai khối để tìm ra được chiều hướng lắp ghép thuận lợi và bền vững
nhất.
Có nhiều hình thức docking phân tử: protein - protein, protein - ligand,
protein - peptide,… Trong đó protein - ligand là phổ biến nhất, với khối đích
được gọi là thụ thể (receptor) thường là các protein và khối còn lại gọi là phối

tử (ligand) - là các phân tử có kích thước nhỏ hơn. Docking phân tử là phương
pháp hiệu quả để tìm vị trí và cấu dạng phù hợp nhất của một phối tử gắn kết
lên protein [43]. Về mặt nhiệt động lực học, mục tiêu của docking phân tử là
tìm ra cấu dạng - mà năng lượng tự do của toàn hệ thấp nhất.

Hình 1.1. 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

Docking phân tử thường được áp dụng trong quá trình thiết kế thuốc dựa
vào khả năng dự đoán ái lực và hoạt tính của các dược chất đối với protein, từ
đó đánh giá khả năng hoạt hóa hoặc ức chế một số protein chức năng. Bên
cạnh đó docking phân tử cũng giúp dự đốn tâm hoạt động, vị trí, cấu dạng
thuận lợi của phối tử tham gia phản ứng khi xem xét cơ chế xúc tác của
enzyme (cũng là một loại protein chức năng).


17

1.2.1. Thuật toán docking
Một hệ sinh học bao gồm phối tử, thụ thể protein và các phân tử dung môi
-

thường là nước. Trong hệ, số lượng phân tử dung môi thường rất lớn dẫn đến số

bậc chuyển động tự do khổng lồ, vì vậy các phân tử dung mơi thường được loại
trừ hoặc xem như các điểm. Tuy nhiên, khi hệ chỉ còn phối tử và thụ thể, số
lượng bậc tự do vẫn cịn rất lớn và gặp nhiều khó khăn trong việc tính tốn.

Do đó, xu hướng để giải quyết vấn đề là sử dụng các phương pháp gần đúng
cho phép xây dựng một khơng gian tìm kiếm hiệu quả hơn.

Có nhiều phương pháp gần đúng khác nhau được xây dựng. Cơ bản nhất là
phương pháp docking cứng (rigid - body approximation), phương pháp này
được áp dụng phổ biến khi phương pháp docking mới bắt đầu được sử dụng
[44].

Hiện nay phương pháp này vẫn được sử dụng trong lĩnh vực docking

protein - protein. Phương pháp docking cứng coi cả phối tử và thụ thể protein
là các phần tử cứng nhắc, chỉ khảo sát 6 bậc tự do chuyển động bao gồm 3 bậc
tự do tịnh tiến và 3 bậc tự do quay của cả phân tử, loại trừ sự linh hoạt của
phối tử và protein.
Phương pháp gần đúng khác đang được sử dụng phổ biến hiện nay là docking
bán linh động. Phương pháp này mô phỏng tương tác giữa phối tử là các phân tử
nhỏ và thụ thể protein, cho phép phối tử linh hoạt chuyển động tự do trong
khơng gian thụ thể protein cịn protein được xem như cứng nhắc [45]. Mặc dù
vậy, sự linh hoạt của protein cũng rất quan trọng và cần được quan tâm, do đó,
có những phương pháp khác giải quyết vấn đề này đang được phát triển.

1.2.1.1. Các phương pháp docking với phối tử linh động
Có 3 loại phương pháp docking quan tâm đến tính linh động của phối tử: các
phương pháp hệ thống hóa (Systematic docking algorithms), các phương pháp
ngẫu nhiên hoặc ngẫu nhiên thống kê (Ramdom or Stochastic algorithms),