Luận án tiến sĩ: Cơ chế phản ứng giữa kháng sinh β-lactam và enzym PBP2a bằng phương pháp hóa tin - Nguyễn Họa Mi (ĐH KHTN Hà Nội)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------- NGUYỄN HỌA MI NGHIÊN C U CƠ CHẾ PHẢN NG GIỮA MỘT SỐ KHÁNG SINH β-LACTAM VÀ ENZYM PBP2a BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA TIN U N ÁN TIẾN S HÓA HỌC Hà Nội – 2012 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------- NGUYỄN HỌA MI NGHIÊN C U CƠ CHẾ PHẢN NG GIỮA MỘT SỐ KHÁNG SINH β-LACTAM VÀ PBP2a BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA TIN Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí Mã số: 62 44 31 01 U N ÁN TIẾN S HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. ĐẶNG ỨNG VẬN 2. TRƯƠNG NGUYỆN THÀNH Hà Nội – 2012 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC STT NỘI DUNG TRANG DANH MỤC CÁC BẢNG 05 DANH MỤC CÁC HÌNH 06 CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN 09 MỞ ĐẨU 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 14 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƢƠNG 25 PHÁP TÍNH 2.1 MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC CƠ HỌC PHÂN TỬ (MM/MD) 25 2.1 Mẫu cơ học phân tử (M/M) 26 2.2 Phƣơng pháp động lực phân tử MD 38 2.2 Cơ cở của phƣơng pháp tính gần đúng lƣợng tử 52 2.3 PHƢƠNG PHÁP QM/MM (HYBRID QUANTUM 65 MECHANICS/MOLECULAR MECHANICS) 2.1 Phƣơng pháp lai hóa QM/MM trong ONIOM 79 CHƢƠNG 3: CHUẨN BỊ INPUT VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN 89 NGHIÊN CỨU CHO HỆ CỤ THỂ 3.1 ĐIỀU KIỆN TÍNH VỚI PHƢƠNG PHÁP MM/MD 89 3.1 Nghiên cứu đặc điểm của tâm hoạt động và khe hẹp 89 gần tâm 3.2 Nghiên cứu tính hoạt động của protein và phối tử 94 3.3 Tính năng lƣợng tự do gắn kết của methicillin và 96 nitrocefin lên các cấu trúc khác nhau của protein PBP2a 3.2 ĐIỀU KIỆN TÍNH VỚI PHƢƠNG PHÁP QM/MM 98 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Các mô hình tâm hoạt hóa 98 3.2 Các mô hình enzym 99 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 103 4.1 KẾT QUẢ TÍNH MM/ND 103 4.1 Về sự tồn tại của khe hẹp gần tâm hoạt động 103 SER403 của PBP2a 4.2 Về tính linh động của phối tử và các axit amin vùng 108 tâm hoạt động trong các phức axyl và phức michaelis của methicillin(MC1) và nitrocefin (NC1) với PBP2a 4.3 Năng lƣợng tự do gắn kết nitrocefin và methicillin 114 lên các cấu trúc khác nhau của PBP2a 4.2 KẾT QUẢ TÍNH QM/MM 119 4.1 Đƣờng năng lƣợng phản ứng của các mô hình tâm hoạt hóa 4.2 Đƣờng năng lƣợng phản ứng của các mô hình 126 protein 4.3 Lý do cho sự khác biệt trong hoạt tính giữa MC1 và 130 NC1 4.4 Thảo luận 134 KẾT LUẬN 136 TÀI LIÊU THAM KHẢO 140 PHỤ LỤC 154 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG STT TÊN BẢNG Trang 1 Bảng 4.1 Các dữ liệu của phức michaelis tính toán trên 94 phần mềm AutoDock và GROMACS 2 Bảng 4.2 RMSF (nm) và véctơ riêng (nm2) của phối tử và Ser403 103 trong các phức michaelis khe β3Z mở của PBP2a* với meticillin và nitrocefin 3 Bảng 4.3 So sánh các thành phần của năng lượng tự do gắn kết * 104 (kJ.4 Năng lượng tương đối (kcal/mol) của các phức phản ứng, các 111 trạng thái chuyển tiếp, các trạng thái trung gian, các sản phẩm trong phản ứng của MC1 và NC1 5 Bảng 4.5 Năng lượng tương tác tĩnh điện và tương tác vdW 118 giữa các nguyên tử QM và môi trường Protein (kcal/mol) 6 Bảng 4.6 Góc căng của các phối tử (theo độ), như được 121 xác định trong hình 4.7 Điện tích nguyên tử Mulliken của meticillin 122 8 Bảng 4.8 Điện tích nguyên tử Mulliken của nitrocefin 122 9 Bảng 4.9 Điện tích nguyên tử Mulliken của mô hình SER403 123 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC HÌNH STT TÊN HÌNH Trang 1 Hình 1.1 Ảnh SEM hiển vi của meticillin- kháng Staphylococcus aureus 5 2 Hình 1.2 Cấu trúc phức axyl hóa của 1MWU từ ngân hàng dữ liệu 6 protein data bank 3 Hình 1.3 Sản sinh ra men β-lactamase có khả năng xúc tác thủy phân β- 7 lactam 4 Hình 1.4 Cơ chế axyl hóa trong đó nhóm cacbonyl của β-lactam bị tấn 11 công bởi SER403 của tâm hoạt hóa 5 Hình 1.5 Các cơ chất MC1 và NC1 12 6 Hình 2.1 Các loại năng lượng trong mẫu MM: 16 a: kéo căng, b: góc liên kết, c: góc nhị diện, d: Coulomb.2 Sự khác biệt giữa thế Morse (đường nét liền) và thế điều hoà 17 (đường nét rời) 8 Hình 2.3 Biến thiên năng lượng góc nhị diện khi có 1, 2 và 3 hàng rào 18 thế năng.4 Mẫu thế tương tác site-site giữa hai phân tử lưỡng nguyên R: 20 khoảng cách tâm khối; r1A2B và r2A1B : khoảng cách giữa các site không ở trong cùng một phân tử 10 Hình 2.5 Minh hoạ hai phương trình Newton 28 11 Hình 2.6 Thuật toán bước nhảy ếch để tính tích phân các phương trình 32 Newton (trục t xác định các giá trị hằng số khi tính tích phân) 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.7 Các dạng lai hóa tự nhiên: Rồng từ thời Lý, chạm 55 khắc Nghê trên nóc mái đình 13 Hình 2.8 Minh họa các phân lớp trong tính toán ONIOM 73 14 Hình 3.1 Cơ chế axyl hóa trong đó nhóm (OH) của SER403 trong 79 PBP2a tấn công nhóm (CO) cacbonyl của -lactam 15 Hình 3.2 Nếp gấp β3 (gồm các axit amin 594-603); cuộn Z (bao gồm 81 các axit amin 436 đến 448) 16 Hình 3.3 Cấu hình của PBP2a (vùng mầu đậm và nhạt), PBP2a* (mầu 82 đậm) và Ser 403 (các quả cầu) 17 Hình 3.4 RMSD của meticillin trong phức axyl với PBP2a nhận được 83 khi khớp bình phương tối thiểu MC1 với cấu hình ban đầu của PBP2a đầy đủ (mầu nhạt) và với chỉ riêng phân mảnh PBP2a* (mầu đậm) 18 Hình 3.5 Mô hình các phối tử trong các tính toán QM 89 19 Hình 3.6 Cấu trúc X-ray của PBP2a trong phức với MC1 (mã trong 90 PDB là 1MWU) 20 Hình 4.1 Minh họa về các trạng thái của khe hoạt động. Trạng thái mở 93 (mầu sẫm) trong cấu trúc phức acyl của metixilin và trạng thái đóng (mầu nhạt) trong cấu trúc apo protein.

Các axit amin Glu447 và Thr444 thuộc về cuộn Z và các axit min Lys597 và Ala601 21 Hình 4.2 RMSD của khung protein (trên) và phối tử (dưới) nhận được 98 bằng cách khớp bình phương tối thiểu với khung protein ban đầu trong phức acyl, phức Michaelis khe β3Z mở và cấu trúc apo 22 Hình 4.3 Sự sai lệch của khoảng cách Cα trung bình (nm) của các axit 100 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com amin trong xoắn α2 đầu N (3 nhóm đồ thị đầu tiên bên trái hình trên) và nếp gấp β3 (6 nhóm đồ thị kế tiếp tính từ trái qua của hình trên) và giữa xoắn α2 đầu N và nếp gấp β3 23 Hình 4.4 Phân tích RMSF. RMSF trung bình/axit amin trong cấu trúc 101 apo (đường liền), trong phức acyl của PBP2a* với MC1 (hình tròn) và NC1 (hình vuông) và trong phức Michaelis khe β3Z mở của PBP2a* với MC1 (hình tam giác) và NC1 (hình thoi). Hình trên cùng: nếp gấp β3 và cuộn Y; hình giữa: cuộn Z; hình dưới cùng: xoắn α2 đầu N 24 Hình 4.5 Đường năng lượng phản ứng (kcal/mol) của các mô hình QM 111 tâm hoạt hóa 25 Hình 4.6 Các cấu hình tối ưu (khoảng cách liên kết, đơn vị là Å) trong 113 phản ứng của MC1 trong mô hình enzym ONIOM(DFT:MM) và mô hình QM tâm hoạt hóa (trong ngoặc đơn) 26 Hình 4.7 Các cấu hình tối ưu (các khoảng cách liên kết, đơn vị là Å) 114 trong phản ứng của NC1 với mô hình enzym ONIOM(DFT:MM) và mô hình QM tâm hoạt hóa (trong ngoặc đơn) 27 Hình 4.8 Chồng chập vị trí cấu trúc X-ray (mã 1MWU theo PDB) và 116 cấu trúc sản phẩm tối ưu (P) bằng ONIOM (màu đỏ của các nguyên tử Cacbon, quả cầu màu trắng là cấu trúc X-ray, và dạng que là cấu trúc ONIOM) 28 Hình 4.9 Các axit amin chìa khóa xung quanh các phối tử ở TS1 119 29 Hình 4.10 Xác định về góc căng của phối tử MC1 và NC1 và các mô 120 hình đơn giản hóa.11 Bền hóa cộng hưởng trong Int’ của NC1 121 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG U N ÁN KÝ HIỆU DIỄN GIẢI SA Chủng vi khuẩn tụ cầu vàng Staphylococcus aureus QM/MM Lai hóa cơ học phân tử kết hợp với cơ học lượng tử MM/MD Động lực học cơ học phân tử ONIOM Our own N-layered Integrated molecular Orbital molecular Mechanics MM Cơ học phân tử molecular mechanics PBP2a Protein Binding penicillin 2a (protein liên kết với penicillin 2a kháng thuốc) MRSA Chủng vi khuẩn tụ cầu vàng kháng methicillin PBP Protein liên kết với penicillin DFT Lý thuyết phiếm hàm mật độ Density Functional Theory NR Phương pháp Newton-Raphson Phức michaelis Phức không cộng hóa trị Phức axyl Phức cộng hóa trị cấu trúc apo Cấu trúc của enzym PBP2a khi chưa phản ứng với cấu tử 1MWU Phức đã axyl hóa của methicillin với protein binding penicillin 1MWS Phức đã axyl hóa của nitrocefin với protein binding penicillin PBP2a* Phần protein PBP2a bao gồm axit amin 310 đến 668 đã được cắt 300 axit amin từ 27 đến 300 SER403 Axit amin SERINE ở vị trí thứ 403 trong chuỗi protein PBP2a MC1 Methicillin NC1 Nitrocefin 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MM-PBSA Molecular Mechanics- Poisson Bolzmann Surface Area MD Molecular Dynamics – Động lực cơ học phân tử QM Quantum mechanics – Cơ học lượng tử MM+, AMBER, BIO+ Tên riêng các trường lực (CHARMM), OPLS MM+ Merck Molecular AMBER Assisted Model Building and Energy Refinement BIO+ (CHARMM) Chemistry at HARvard Molecular Mechanics OPLS Optimized Potential for Liquid Simulations UHF Unrestricted Hartree-Fock - Phương trình Hartree-Fock cho cấu hình không hạn chế RHF Restricted Hartree-Fock - Phương trình Hartree-Fock cho cấu hình hạn chế RMSD Độ sai lệch bình phương trung bình (root mean square deviation) RMSF Độ sai lệch của độ lệch bình phương trung bình (the root mean square fluctuation) MO-LCAO Obitan phân tử dưới dạng tổ hợp tuyến tính các obitan nguyên tử SCF Phương pháp trường tự hợp LA Nguyên tử kết nối LAC Nguyên tử được liên kết với nguyên tử kết nối the link atom connection LAH Nguyên tử được thay thế the link atom host 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Kháng sinh β-lactam lúc đầu gồm penicillin được Fleming phát hiện vào năm 1929 và đến năm 1955, cephalosporin được phát hiện lần đầu. Từ đó, các kháng sinh β-lactam được sử dụng rộng rãi với những lượng lớn và liên tục được phát triển, nhằm tìm ra những hợp chất mới có hiệu quả cao hơn để đối phó với tác dụng của vi khuẩn làm vô hiệu hoá các kháng sinh đã có trước, hay còn gọi là hiện tượng kháng các kháng sinh, cũng được gọi là “nhờn thuốc”.