Cơ chế ức chế enzyme alpha-glucosidase và carbonic anhydrase của các phức Pd(Ii)-Hydrazide trong can thiệp điều trị đái tháo đường – thừa cân béo phì

Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 1 * 2019 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Nội Khoa 181 CƠ CHẾ ỨC CHẾ ENZYME ALPHA-GLUCOSIDASE VÀ CARBONIC ANHYDRASE CỦA CÁC PHỨC Pd(II)-Hydrazide TRONG CAN THIỆP ĐIỀU TRỊ ĐÁI THÁO ĐƯỜNG – THỪA CÂN BÉO PHÌ Nguyễn Trương Công Minh*, Bùi Thị Hồng Châu* TÓM TẮT Mở đầu: Enzym có vai trò chính trong quá trình chuyển hóa Carbohydrate là Alpha-Glucosidase. Ngày càng có nhiều hướng tiếp cận điều trị đái tháo đường bằng cách ức chế hoạt động của Enzym này trong quá trình tiêu hóa thức ăn, giảm tốc độ tiêu thụ Carbohydrate của cơ thể. Carbonic Anhydrase là các Metalloprotein có chứa kẽm, xúc tác chuyển hóa Carbon dioxide thành các ion Bicarbonate. Enzym này tham gia vào các quá trình sinh học quan trọng của cơ thể bao gồm: Sự tân tạo Glucose, sự sinh mỡ. Đồng thời, đó cũng là mục tiêu của nhiều liệu pháp điều trị các rối loạn thần kinh, thừa cân béo phì, viêm loét dạ dày tá tràng. Một số ion kim loại và phức tạo thành, điển hình như phức ion kim loại Pd(II)-Hydrazide, trong nhiều nghiên cứu trên thế giới, cho thấy có biểu hiện các hoạt tính sinh học quan trọng như: Kháng nấm, chống oxi hóa, v.v... Trong đó phải kể đến hiệu quả hỗ trợ điều trị thừa cân béo phì khi được dùng làm tác nhân ức chế 2 Enzym Alpha-Glucosidase và Carbonic Anhydrase. Mục tiêu: Góp phần hiểu rõ thêm cơ chế ức chế, đánh giá các kiểu tương tác đặc hiệu ảnh hưởng đến hiệu quả ức chế 2 Enzym, có vai trò quan trọng trong quá trình điều hòa chuyển hóa Carbohydrate của cơ thể. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng các phương pháp hóa tính toán bao gồm: Xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc 5 hợp chất là phức ion kim loại Pd(II)-Hydrazide, thiết lập mô hình tương tác ức chế với 2 Enzym Alpha- Glucosidase và Carbonic Anhydrase, khảo sát tương quan giữa năng lượng gắn kết Enzym với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50. Kết quả: Thiết lập được mô hình ức chế 2 Enzym với 5 hợp chất phức ion Pd(II), trong đó các lực tương tác chủ yếu là: tương tác tĩnh điện, tương tác Hydrogen, tương tác pi-cation, tương tác pi-alkyl, tương tác pi-sigma và tương tác pi-pi (dạng chữ T). Tương tác tĩnh điện và các tương tác pi giữa vòng thơm, nhóm -(NH2-NH)- thuộc chất ức chế với các đơn vị amino acid thuộc 2 Enzym có vai trò quan trọng, quyết định hiệu quả ức chế Enzym. Kết luận: Hoạt tính ức chế 2 Enzym của 5 hợp chất khảo sát có tương quan mật thiết với các yếu tố liên quan đến khả năng cho nhận điện tích bao gồm: hệ thống vòng thơm và nhóm -(NH2-NH)-. Từ khóa: Alpha-Glucosidase, Carbonic Anhydrase, Protein docking ABSTRACT ALPHA-GLUCOSIDASE AND CARBONIC ANHYDRASE INHIBITION BY Pd (II)-Hydrazide COMPLEXES IN DIABETES AND OBESITY TREATMENT Nguyen Truong Cong Minh, Bui Thi Hong Chau * Ho Chi Minh City Journal of Medicine * Supplement of Vol. 23 - No 1- 2019: 181-186 Background: The enzyme that plays a major role in carbohydrate metabolism is Alpha-Glucosidase. There are more approaches in order to treat diabetes by inhibiting the activity of this enzyme in the digestive process, reducing the rate of carbohydrate consumption of the body. Carbonic Anhydrase is a zinc-containing *Bộ môn Hoá Sinh, Khoa Y, Đại học Y Dược TP. Hồ Chí Minh Tác giả liên lạc: ThS. Nguyễn Trương Công Minh ĐT: 0769635368 Email: congminh.ngtruong@gmail.com Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 1 * 2019 Chuyên Đề Nội Khoa 182 metalloprotein that catalyzes the conversion of carbon dioxide into bicarbonate ions. This enzyme participates in important biological processes of the body including: Gluconeogenesis, fat production. At the same time, it is also the goal of neurological disorders, obesity and peptic ulcer disease treatments. A number of metal and complex ions, such as the metal ion complexes Pd (II) -Hydrazide, have been shown in many studies worldwide to show the significant biological activity such as: Antifungal, antioxidant, etc., including the effect of supporting overweight and obesity treatment when used as inhibitors of Alpha-Glucosidase and Carbonic Anhydrase. Objects: Contributing to understanding the inhibition mechanism, evaluating specific types of interactions that affect the inhibition of the two enzymes, playing an important role in regulating carbohydrate metabolism of the body. Methods: Using the computational chemistry methods including building and optimizing the structures of the five metal ion complexes Pd (II) -Hydrazide, modeling interactions with Alpha-Glucosidase and Carbonic Anhydrase, examining the relationship between docking energy and the experiment enzyme inhibitory concentration IC50. Results: The model of the inhibition of the two enzymes was constructed with the five metal ion complexes Pd (II) -Hydrazide, in which the major interaction forces are: Electrostatic interaction, Hydrogen interaction, pi- cation interaction, pi-alkyl interaction, pi-sigma interaction and pi-pi interaction (T-shape). Electrostatic interaction and pi interactions – between the aromatic rings, the -(NH2-NH)- group, belonging to the inhibitors, and the amino acid units of the two enzymes – play an important role in determining the enzyme inhibitory effect. Conclusion: Inhibition activity of two enzymes of five investigated compounds is strongly correlated with factors related to the ability of accepting and donating charges including aromatic ring systems and - (NH2-NH)- groups. Keywords: Alpha-Glucosidase, Carbonic Anhydrase, Protein docking ĐẶT VẤN ĐỀ Đái tháo đường là một rối loạn mạn tính, có những thuộc tính sau: Tăng glucose máu, kết hợp với những bất thường chuyển hoá carbohydrate, lipid và protein. Bệnh luôn gắn liền với xu hướng phát triển các bệnh lý về thận, đáy mắt, thần kinh và các bệnh tim mạch do hậu quả của xơ vữa động mạch(1). Enzym có vai trò chính trong quá trình chuyển hóa carbohydrate là Alpha-Glucosidase. Ngày càng có nhiều hướng tiếp cận điều trị đái tháo đường bằng cách ức chế hoạt động của Enzym này trong quá trình tiêu hóa thức ăn, giảm tốc độ tiêu thụ carbohydrate của cơ thể. Carbonic Anhydrase là các metalloprotein có chứa kẽm, xúc tác chuyển hóa carbon dioxide thành các ion bicarbonate. Enzym này tham gia vào các quá trình sinh học quan trọng của cơ thể bao gồm: Sự tân tạo glucose, sự sinh mỡ v.v... Đồng thời cũng là mục tiêu của nhiều liệu pháp điều trị các rối loạn thần kinh, thừa cân béo phì, viêm loét dạ dày tá tràng v.v... Một số ion kim loại và phức tạo thành, điển hình như phức ion kim loại Pd(II)-Hydrazide(5), trong nhiều nghiên cứu trên thế giới, cho thấy có biểu hiện các hoạt tính sinh học quan trọng như: Kháng nấm, chống oxi hóa(3), v.v... Trong đó phải kể đến hiệu quả hỗ trợ điều trị thừa cân béo phì khi được dùng làm tác nhân ức chế 2 Enzym Alpha-Glucosidase và Carbonic Anhydrase. Theo các luận điểm nêu trên, đề tài được tiến hành nhằm mục đích khảo sát cơ chế ức chế 2 Enzym này của các phức Pd(II)- Hydrazide được tổng hợp bởi Qurrat-ul-Ain(5) và đồng nghiệp thuộc khoa Hóa học, Đại học Karachi, Pakistan. Đồng thời, đánh giá các yếu tố cấu trúc có ảnh hưởng quan trọng đến hoạt tính ức chế 2 Enzym. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc 3D của 5 hợp chất phức bằng phần mềm Gaussian 09w và Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 1 * 2019 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Nội Khoa 183 Gaussview 5.0 theo phương pháp HF tập cơ sở 3-21G(4). Thiết lập mô hình tương tác ức chế với Enzym Alpha-Glucosidase và Carbonic Anhydrase bằng phần mềm Autodock – Autodock vina(2,6). Khảo sát tương quan giữa năng lượng gắn kết Enzym với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50, sử dụng phần mềm Statgraphics Centurion XVI. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng về mặt cấu trúc, kiểu tương tác chủ yếu quyết định hiệu quả ức chế Enzym. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu là: 2 Enzym Alpha- Glucosidase và Carbonic Anhydrase và 5 hợp chất phức đã được tác giả Qurrat-ul-Ain và đồng nghiệp nghiên cứu tổng hợp và xác định hoạt tính ức chế bằng thực nghiệm, IC50 (M). PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH Cơ sở dữ liệu Cấu trúc Carbonic Anhydrase (Hình 1), Alpha-Glucosidase (Hình 2) và 5 hợp chất phức (Hình 3). Hình 1: Cấu trúc Carbonic Anhydrase Hình 2: Cấu trúc Alpha-glucosidase Hình 3: Cấu trúc 5 hợp chất phức Pd(II)-Hydrazide Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 1 * 2019 Chuyên Đề Nội Khoa 184 Phương pháp Hóa tính toán – mô phỏng cấu trúc phân tử 3D Hóa tính toán mô phỏng cấu trúc phân tử dựa trên nền tảng các định luật vật lý, cho phép nghiên cứu các tính chất hóa học – hiện tượng xảy ra trong hóa học thông qua việc tính toán trên máy tính. Hóa tính toán gồm 2 mô hình mô phỏng cấu trúc phân tử: mô hình cơ học phân tử và mô hình cơ học lượng tử. Cả hai đều tập trung thực hiện các tính toán cơ bản giống nhau bao gồm: năng lượng, tối ưu hóa hình dạng, tần số dao động. Mô hình cơ học lượng tử, phương pháp HF (Hartree Fock) với tập cơ sở 3-21G, được sử dụng trong đề tài để xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc phân tử của các hợp chất phức Pd(II)- Hydrazide gồm các nguyên tố H, C, F, Cl, Pd, N và O. Phân tích hồi quy Sử dụng phần mềm Statgraphics Centurion XVI 16.1.18, với công cụ phân tích tương quan đa biến (Multiple - Variable Analysis (Correlations)), khảo sát sự tương quan giữa năng lượng gắn kết Enzym với nồng độ ức chế thực nghiệm IC50, có ý nghĩa thống kê với p<0,05. Phương pháp Protein docking Phương pháp Protein docking hay còn gọi là mô phỏng tương tác giữa một phân tử ligand và đại phân tử protein nhằm dự đoán vị trí tạo liên kết ưu đãi, hình thành phức hợp protein – ligand bền vững. Sự định hướng thuận lợi của ligand trên protein được biểu diễn thông qua độ bền liên kết hoặc ái lực gắn kết giữa 2 phân tử, sử dụng các hàm tính điểm (scoring functions). Bản chất của quá trình mô phỏng tương tác chính là tối ưu hóa hình dạng 2 phân tử protein – ligand cũng như liên kết giữa chúng sao cho năng lượng tự do toàn hệ thống đạt cực tiểu. Đề tài sử dụng phương pháp Protein docking trong phần mềm Autodock – Autodock vina để khảo sát mô hình tương tác ức chế giữa các phức với 2 Enzym, nhằm mục đích cung cấp các thông tin quan trọng về năng lượng gắn kết Enzym và loại lực tương tác đặc trưng như: tương tác van der Waals, tương tác tĩnh điện, tương tác π – π và liên kết Hydrogen. KẾT QUẢ Mô hình tương tác ức chế Carbonic Anhydrase và Alpha-Glucosidase Sử dụng phần mềm Autodock – Autodock vina lần lượt thiết lập mô hình tương tác ức chế với 2 Enzym của 5 hợp chất phức đã được tối ưu hóa cấu trúc bằng phương pháp Protein docking với thuật toán gen Lamarck (Lamarckian Genetic Algorithm). Kết quả docking cung cấp các thông tin về năng lượng gắn kết (kcal/mol) và loại lực tương tác ứng với mỗi hợp chất ức chế (Bảng 1 và Bảng 2). Bảng 1: Mô hình ức chế Enzym Carbonic Anhydrase tương ứng với năng lượng gắn kết Eb và loại tương tác ứng với hợp chất phức có hoạt tính ức chế lớn nhất Hợp chất Mô hình ức chế enzym carbonic anhydrase Eb (Kcal/mol) Tương tác chính -8.1 Tương tác pi-sigma, pi- pi T- shaped, pi-alkyl Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 23 * Số 1 * 2019 Nghiên cứu Y học Chuyên Đề Nội Khoa 185 Bảng 2: Mô hình ức chế Enzym Alpha-Glucosidase tương ứng với năng lượng gắn kết Eb và loại tương tác ứng với hợp chất phức có hoạt tính ức chế lớn nhất Hợp chất Mô hình ức chế enzym alpha-glucosidase Eb (Kcal/mol) tương tác chính -6,2 Tương tác tĩnh điện, pi-cation, pi-alkyl Khảo sát tương quan giữa năng lượng gắn kết Eb và hoạt tính ức chế thực nghiệm IC50 đối với từng hợp chất phức được trình bày trong Bảng 3. Bảng 3: Tương quan giữa năng lượng gắn kết Eb (kcal/mol) và IC50 (µM) đối với từng hợp chất ức chế Enzym Hợp chất Eb (Kcal/mol) IC50 (µM) Carbonic Anhydrase 1-b -7,2 446,18 2-b -8,1 14,43 3-b -7,9 56 4-b -7,0 500 5-b -7,0 500 R = 0,9900; R 2 = 0.9896; p <0,05 Alpha- glucosidase 1-b -6,1 0,2 2-b -5,9 0,58 3-b -6,2 0,09 4-b -5,6 0,79 5-b -4,9 1,2 R = 0.9680; R 2 = 0.9381; p <0,05 BÀN LUẬN Kết quả cho thấy có sự tương quan khá mật thiết giữa năng lượng gắn kết Enzym và hoạt tính ức chế thực nghiệm IC50 của các hợp chất phức. Các loại tương tác biểu diễn trong từng mô hình ức chế (Bảng 1-2) thể hiện vai trò ảnh hưởng quan trọng của tương tác tĩnh điện và các tương tác pi với mỗi đơn vị amino acid thuộc Enzym, hay với các bề mặt tích điện âm được gây ra bởi các nhóm nguyên tử -C=O và các bề mặt tích điện dương được gây ra bởi các nhóm nguyên tử -N-H thuộc Enzym. Bề mặt hai Enzym phân bố các tâm hoạt động mang điện tích âm gây ra bởi các nhóm C=O và mang điện tích dương gây ra bởi các nhóm –N-H có khả năng gắn kết hữu hiệu với các nhóm cấu trúc mang điện tích thuộc các hợp chất phức. Như vậy, nếu các hợp chất phức có chứa càng nhiều các nhóm chức có khả năng cho điện tử như các halogen gắn vào hệ thống vòng thơm, các nhóm chứa nhiều nguyên tử Nito tích điện âm thì tương tác tĩnh điện xảy ra sẽ càng thuận lợi với tâm hoạt động Enzym hay các hốc phản ứng trên Enzym mang điện tích dương (năng lượng gắn kết càng có giá trị âm) và ngược lại, nếu các hợp chất phức có chứa càng nhiều các nhóm chức có khả năng nhận điện tử như các nhóm –NH2-NH- tích điện dương thì tương tác tĩnh điện xảy ra thuận lợi với tâm hoạt động Enzym hay các hốc phản ứng trên Enzym mang điện tích âm. KẾT LUẬN Như vậy, phương pháp hóa tính toán với kỹ thuật protein docking đã xây dựng được mô hình ức chế 2 Enzym Carbonic Anhydrase và Alpha-Glucosidase bởi các hợp chất phức ion kim loại Pd(II)-Hydrazine. Mô hình này phản ánh hoạt tính ức chế Enzym của các hợp chất có tương quan mật thiết với các yếu tố Nghiên cứu Y học Y Học TP. Hồ Chí Minh * Tập 23 * Số 1 * 2019 Chuyên Đề Nội Khoa 186 ảnh hưởng về mặt cấu trúc bao gồm: hệ thống vòng thơm và nhóm –NH2-NH-, được chi phối bởi hiệu quả các lực tương tác tĩnh điện và các tương tác pi giữa chất ức chế với hốc phản ứng tích điện trên Enzym. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. American Diabetes Association (ADA) (2015). “Report of the expert committee on the diagnosis and classification of diabetes mellitus”. Diabetes Care, 38:S8–S16. 2. Bachwani M, Kumar R (2011). “Molecular docking: A Review”. IJRAP, 2(6):pp.1746-1751. 3. Etoundi CB, Kuate D, Ngondi JL, Oben J (2010). “Anti-amylase, anti-lipase and antioxidant effects of aqueous extracts of some Cameroonian spices”. J Nat Prod, 3:pp.165–171. 4. Foresman JB, Frisch AE (1996). “Exploring Chemistry With Electronic Structure Methods 2nd Edition”. Gaussian Inc, Pittsburgh. 5. Qurrat-ul-Ain, Ashiq U (2015). “Alpha-glucosidase and carbonic anhydrase inhibition studies of Pd(II)-hydrazide complexes”. Arabian Journal of Chemistry, 10:4:pp.488-499. 6. Trott O, Olson AJ (2010). “AutoDock Vina: improving the speed and accuracy of docking with a new scoring function, efficient optimization and multithreading”. Journal of Computational Chemistry, 31:pp.455-461. Ngày nhận bài báo: 08/11/2018 Ngày phản biện nhận xét bài báo: 10/12/2018 Ngày bài báo được đăng: 10/03/2019