ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TỐNG THỊ THU CÚC

GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG THỦY PHÂN
ACETYLCHOLINE VỚI XÚC TÁC ENZYM
ACETYLCHOLINESTERASE BẰNG PHƢƠNG PHÁP HÓA TIN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TỐNG THỊ THU CÚC

GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG THỦY PHÂN
ACETYLCHOLINE VỚI XÚC TÁC ENZYM
ACETYLCHOLINESTERASE BẰNG PHƢƠNG PHÁP HÓA TIN
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 62.44.01.19

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC


1.2. Tình hình nghiên cứu ................................... Error! Bookmark not defined.
1.3. Tổng quan phƣơng pháp nghiên cứu ......... Error! Bookmark not defined.
1.3.1. Phƣơng pháp cơ học phân tử ................ Error! Bookmark not defined.
1.3.2. Phƣơng pháp phiếm hàm mật độ ......... Error! Bookmark not defined.
1.3.3. Phƣơng pháp kết hợp cơ học lƣợng tử - cơ học phân tử (QM/MM)
........................................................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.4. Kĩ thuật protein docking ....................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2. NGUỒN DỮ LIỆU VÀ CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU ................. Error!
Bookmark not defined.
2.1. Nguồn dữ liệu ................................................ Error! Bookmark not defined.
2.2. AutoDock Vina 1.1.1 .................................... Error! Bookmark not defined.
2.3. Gaussian 09W và GaussView 5.0.8 ............. Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN............... Error! Bookmark not defined.
3.1. Kết quả khảo sát docking cho cơ chất acetylcholine Error! Bookmark not
defined.


3.1.1. Kết quả docking đối với acetylcholinesterase ở cá đuối điện .... Error!
Bookmark not defined.
3.1.2. Kết quả docking đối với acetylcholinesterase ở ngƣời ............... Error!
Bookmark not defined.
3.2. Kết quả tính QM/MM cho phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ xúc
tác enzym ở cá đuối điện và ở ngƣời .................. Error! Bookmark not defined.
3.2.1. Kết quả tính QM/MM cho phản ứng ở cá đuối điện .................. Error!
Bookmark not defined.
3.2.2. Kết quả tính QM/MM cho phản ứng ở ngƣời ... Error! Bookmark not
defined.
3.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của một số chất đến acetylcholinesterase
............................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.1. Kết quả docking của donepezil ............. Error! Bookmark not defined.


(Tên trƣờng lực)

Becke 3 Lee-Yang-Parr

Becke 3 Lee-Yang-Parr
(Tên phiếm hàm)

DFT

Density Functional Theory

Lý thuyết phiếm hàm mật độ

EE

Electronic Embedding

Nhúng điện tử

GAFF

General Amber Force Field

Trƣờng lực AMBER khái quát

GGA

Generalized


and molecular Mechanics
PDB

Protein Data Bank

Ngân hàng dữ liệu protein

QM

Quantum Mechanics

Cơ học lƣợng tử

RMSD

Root

Mean

Square Độ lệch (căn) bình phƣơng trung bình
(Độ lệch chuẩn)

Deviation

* Trên các hình vẽ trong luận án, dấu "." đƣợc dùng để ngăn cách phần thập phân.
trong đó dii là khoảng cách giữa nguyên tử thứ i trong cấu

*
trúc



ở cá đuối điện
Bảng 3.2. Kết quả docking của acetylcholine lên acetylcholinesterase

49

ở cá đuối điện khi nhánh Ser200 và His 440 quay tự do
Bảng 3.3. Kết quả docking của acetylcholine lên acetylcholinesterase

52

ở ngƣời
Bảng 3.4. Năng lƣợng và momen lƣỡng cực Model của phản ứng ở cá

67

đuối điện
Bảng 3.5. Khoảng cách (Å) giữa một số nguyên tử trong trạng thái

74

Tp_INT1 và Ho_INT1
Bảng 3.6. Năng lƣợng và momen lƣỡng cực Model của phản ứng ở

84

ngƣời
Bảng 3.7. Kết quả docking của donepezil lên acetylcholinesterase ở cá

93

104


Bảng 3.14. Kết quả docking của neostigmin lên acetylcholinesterase ở

106

ngƣời
Bảng 3.15. Kết quả docking của physostigmin lên

108

acetylcholinesterase ở cá đuối điện
Bảng 3.16. Kết quả docking của physostigmin lên

109

acetylcholinesterase ở ngƣời
Bảng 3.17. Kết quả docking của rivastigmin lên acetylcholinesterase ở

111

cá đuối điện
Bảng 3.18. Kết quả docking của rivastigmin lên acetylcholinesterase ở

113

ngƣời
Bảng 3.19. Độ lệch tiêu chuẩn của cấu trúc phức khi có chất ức chế
gắn kết bên ngoài hốc phản ứng

Hình 2.1. Ảnh hƣởng của độ phân giải đến khả năng xác định chính
xác cấu trúc từ nhiễu xạ đồ

40

Hình 2.2. Cấu trúc acetylcholinesterase ở cá đuối điện (1EVE)

41

Hình 2.3. Cấu trúc acetylcholinesterase ở ngƣời (4EY4)

42

Hình 2.4. Phân vùng QM, MM cho hệ phản ứng thủy phân
acetylcholine nhờ xúc tác acetylcholinesterase

45

Hình 3.1. Cấu trúc tối ƣu và momen lƣỡng cực của acetylcholine

46

Hình 3.2. Cấu trúc acetylcholine đƣợc đƣa vào khảo sát docking

46

Hình 3.3. Không gian khảo sát docking đối với enzym của cá đuối
điện
Hình 3.4. Các vị trí gắn kết thuận lợi của acetylcholine lên
acetylcholinesterase ở cá đuối điện

57

Hình 3.12. Cấu trúc tối ƣu Tp_INT2

58

Hình 3.13. Cấu trúc tối ƣu Tp_INT3

59

Hình 3.14. Đƣờng quét thế năng giai đoạn tạo phức ở cá đuối điện
theo khoảng cách C(24) – O(6)
Hình 3.15. Cấu trúc trạng thái chuyển tiếp giai đoạn tạo phức Tp_TS1
Hình 3.16. Cấu trúc tối ƣu điểm ảnh số 6 trên đƣờng quét thế năng
giai đoạn tạo phức
Hình 3.17. Đƣờng quét thế năng giai đoạn tách choline ở cá đuối điện
theo khoảng cách N(11) – H(14)
Hình 3.18. Cấu trúc trạng thái chuyển tiếp giai đoạn tách choline
Tp_TS2
Hình 3.19. Sơ đồ biến đổi năng lƣợng của quá trình tạo phức và tách
choline ở cá đuối điện
Hình 3.20. Tiến trình phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ enzym ở
cá đuối điện

60
61
62
63
64
65


Hình 3.28. Phần QM trong trạng thái Tp_INT1 và Ho_INT1

74

Hình 3.29. Sự biến đổi cấu trúc tâm xúc tác của enzym ở ngƣời trong
trạng thái Ho_INT1 so với khi chƣa có cơ chất
Hình 3.30. Cấu trúc tối ƣu Ho_INT2

75
76


Hình 3.31. Cấu trúc tối ƣu Ho_INT3
Hình 3.32. Đƣờng quét thế năng giai đoạn tạo phức ở ngƣời theo
khoảng cách C(24) – O(8)
Hình 3.33. Cấu trúc trạng thái chuyển tiếp giai đoạn tạo phức ở ngƣời
Ho_TS1
Hình 3.34. Đƣờng quét thế năng giai đoạn tách choline ở ngƣời theo
khoảng cách N(17) – H(9)
Hình 3.35. Cấu trúc trạng thái chuyển tiếp giai đoạn tách choline ở
ngƣời Ho_TS2
Hình 3.36. Sơ đồ biến đổi năng lƣợng của quá trình tạo phức và tách
choline ở ngƣời
Hình 3.37. Tiến trình phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ enzym ở
ngƣời

77
78
79

Hình 3.44. Khoảng cách từ nguyên tử N trong acetylcholine đến vòng
Trp trong trƣờng hợp ở ngƣời và ở cá đuối điện

89

Hình 3.45. Cấu trúc tối ƣu và momen lƣỡng cực của donepezil

91

Hình 3.46. Cấu trúc tối ƣu và momen lƣỡng cực của galantamin

91

Hình 3.47. Cấu trúc tối ƣu và momen lƣỡng cực của tacrin

91

Hình 3.48. Cấu trúc tối ƣu và momen lƣỡng cực của neostigmin

92

Hình 3.49. Cấu trúc tối ƣu và momen lƣỡng cực của physostigmin

92

Hình 3.50. Cấu trúc tối ƣu và momen lƣỡng cực của rivastigmin

92

Hình 3.51. Các vị trí gắn kết thuận lợi của donepezil lên

100
102
104
105
107
109
111
112
114

Hình 3.63. Sự biến đổi cấu trúc phức Ho_INT2 khi có donepezil gắn
kết bên ngoài hốc phản ứng so với cấu trúc Ho_INT2 ban
đầu

115


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1.

Lâm Ngọc Thiềm (2008), Cơ sở hóa học lượng tử, NXB Khoa học và Kỹ
thuật, Hà Nội.

2.

Đặng Ứng Vận (2003), Động lực học các phản ứng hóa học, NXB Giáo dục,
Hà Nội.

3.

Birks J., Harvey R. J. (2006), "Donepezil for dementia due to Alzheimer's
disease", Cochrane Database of Systematic Reviews 1: CD001190.

9.

Birks J. (2006), "Cholinesterase inhibitors for Alzheimer's disease",
Cochrane Database of Systematic Reviews 1: CD005593.

10.

Blake C. C. F., Koenig D. F., Mair G. A., North A. C. T., Phillips D. C., and
Sarma V. R. (1965), "Structure of Hen Egg-white Lysozyme: A Three-


dimensional Fourier Synthesis at 2 Å Resolution", Nature 206(4986), pp.
757-761.
11.

Bourne Y., Taylor P., Radic Z., Marchot P. (2003), “Structural insights into
ligand interactions at the acetylcholinesterase peripheral anionic site”, The
EMBO Journal 22(1), pp. 1-12.

12.

Briggs G. E., Haldane J. B. S. (1925), "A note on the kinetics of enzyme
action", Journal of Biochemistry 19(2), pp. 338-339.

13.

Buckley A. W., Sassower K., Rodriguez A. J., Jennison K., Wingert K.,

26.

Fersht A. (1984), Enzyme structure and mechanism (Second Edition), W. H.
Freeman, New York.

27.

Froede H. C., Wilson I. B. (1984), “Direct Determination of Acetyl-enzyme
Intermediate

in

the

Acetylcholinesterase-catalyzed

Hydrolysis

of


Acetylcholine and Acetylthiocholine”, Journal of Biological Chemistry
259(17), pp. 11010-11013.
28.

Garret R. H., Grisham C. M. (2010), Biochemistry (fourth edition),
Brooks/Cole, Cengage Learning.

29.



32.

Heinrich M., Teoh H. L. (2004), "Galantamine from snowdrop – the
development of a modern drug against Alzheimer's disease from local


Caucasian knowledge", Journal of Ethnopharmacology 92(2-3), pp. 147162.
33.

Hohenberg P., Kohn W. (1964), “Inhomogeneous Electron Gas”, Physical
Review Vol.136(3B), pp. B864-B871.

34.

Hutchinson E. G., Thornton J. M. (1996), "Promotif – A program to identify
and analyze structural motifs in proteins", Protein Science 5(2), pp. 212-220.

35.

Jann M. W. (2000), "Rivastigmine, a New-Generation Cholinesterase
Inhibitor for the Treatment of Alzheimer's Disease", Pharmacotheray: The
Journal of Human Pharmacology and Drug Therapy 20(1), pp. 1-12.

36.

Jensen F. (1999), Introduction to Computational Chemistry, John Wiley &
Sons, England.

37.

1620-1626.

43.

Koshland D. E. (1994), “The Key-Lock Theory and the Induced Fit Theory”,
Angewandte Chemie International Edition in English 33, pp. 2375-2378.


44.

Kryger

G.,

Silman

I.,

Sussman

J.

L.

(1999),

“Structure

of


Germany.

50.

Moraes W., Poyares D., Sukys-Claudino L., Guilleminault C., and Tufik S.
(2008), "Donepezil Improves Obstructive Sleep Apnea in Alzheimer
Disease: A Double-Blind, Placebo-Controlled Study", Chest Journal 133(3),
pp. 677-683.

51.

Morris G. M., Huey R., Lindstrom W., Sanner M. F., Belew R. K., Goodsell
D. S. and Olson A. J. (2009), “Autodock4 and AutoDockTools4: automated
docking with selective receptor flexiblity”, Journal of Computational
Chemistry 16: 2785-91.

52.

Neet K. E. (1995), "Cooperativity in Enzyme Function: Equilibrium and
Kinetic Aspects", Methods in Enzymology 249, pp. 519-567.


53.

Nemukhin A. V., Grigorenko B. L., Morozov D. I., Kochetov M. S.,
Lushchekina S. V., Varfolomeev S. D. (2013), “On quantum mechanical –
molecular mechanical (QM/MM) approaches to model hydrolysis of
acetylcholine by acetylcholinesterase”, Chemico-Biological Interactions 203,
pp. 51-56.


Schnell S., Turner T. E. (2004), "Reaction kinetics in intracellular
environments with macromolecular crowding: simulations and rate laws",
Progress in Biophysics and Molecular Biology 85, pp. 235-260.

75.

Scott L. J., Goa K. L. (2000), "Galantamine: A Review of its Use in
Alzheimer's Disease", Drugs 60(5), pp. 1095-1122.

76.

Shafferman A., Kronman C., Flashner Y. et al. (1992), "Mutagenesis of
Human Acetylcholinesterase: Identification of Residues involved in catalytic
activity and in polypeptide folding", The Journal of Biological Chemistry
267(25), pp. 17640-17648.

77.

Simoes M. C. R., Viegas F. P. D., Moreira M. S. et al. (2014), "Donepezil:
An Important Prototype to the Design of New Drug Candidates for
Alzheimer's Disease", Mini-Reviews in Medicinal Chemistry 14(1), pp. 2-19.

78.

Singh N., Warshel A. (2010), "Absolute binding free energy calculations: On
the accuracy of computational scoring of protein-ligand interactions",
Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 78(7), pp. 1705-1723.

79.


83.

Torrent M., Vreven T., Musaev D. G., and Morokuma K. (2002), “Effects of
the Protein Environment on the Structure and Energetics of Active Sites of
Metalloenzymes.

ONIOM

study

of

Methane

Monooxygenase

and

Ribonucleotide Reductase”, Journal of American Chemical Society 124(2),
pp. 192-193.
84.

Touchon J., Bergman H., Bullock R., Rapatz G., Nagel J., and Lane R.
(2006), "Response to rivastigmine or donepezil in Alzheimer's patients with
symptoms suggestive of concomitant Lewy body pathology", Current
Medical Research and Opinion 22(1), pp. 49-59.

85.

Tougu V. (2001), "Acetylcholinesterase: Mechanism of Catalysis and

International Edition 53(38), pp. 10020-10031.

96.

Whittaker V. P. (1990), "The contribution of drugs and toxins to
understanding of cholinergic function", Trends in Pharmacological Sciences
11(1), pp. 8-13.

97.

Woodruff-Pak D. S., Vogel R. W. III, and Wenk G. L. (2001), "Galantamine:
Effect on nicotinic receptor binding, acetylcholinesterase inhibition, and
learning", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United
States of America 98(4), pp. 2089-2094.


98.

Wright D. W., Hall B. A., Kenway O. A., Jha S., and Coveney P. V. (2014),
“Computing Clinically Relevant Binding Free Energies of HIV-1 Protease
Inhibitors”, Journal of Chemical Theory and Computation 10(3), pp. 12281241.

99.

Xu F., Ding H. (2007), "A new kinetic model for heterogeneous (or spatially
confined) enzymatic catalysis: Contributions from the fractal and jamming
(overcrowding) effects", Applied Catalysis A: General 317(1), pp. 70-81.

100.


Acetylcholinesterase in the Apo state,
< />
106.

RCSB PDB Protein Data Bank, Looking at Structures,
< />