Đồ án HCMUTE: Nghiên cứu docking phân tử các dẫn xuất curcumin từ p-methoxybenzaldehyde

Khám phá đồ án HCMUTE về tổng hợp và docking phân tử các dẫn xuất curcumin từ p-methoxybenzaldehyde, ứng dụng trong nghiên cứu hóa học.

• Tác giả: Phan Đăng Quới Tử
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Minh Hảo
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Tổng Hợp Và Docking Phân Tử Các Dẫn Xuất Curcumin Từ p-Methoxybenzaldehyde
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: Tổng quan về curcumin, curcuminoid
• 1.1. Sơ lược về nghệ vàng và curcuminoid
• 1.2. Hoạt tính sinh học của curcuminoid
• 1.3. Pharmacophore của curcumin
• 1.4. Các dẫn xuất isoxazole và pyrazole của curcumin
• 1.5. Tình hình nghiên cứu về các dẫn xuất curcumin
• 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.6. Giới thiệu về phương pháp docking
• 1.6.1. Receptor – Cyclin dependent kinase 2 (CDK2)
• 1.6.2. Docking phân tử các dẫn xuất curcumin đối với 2R3I
• 1.7. Điểm mới và tính cấp thiết của đề tài
• 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Nguyên liệu, trang thiết bị thí nghiệm
• 2.3. Dụng cụ và trang thiết bị
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Kiểm tra độ tinh khiết và xác định cấu trúc hóa học
• 2.4.2. Phương pháp docking phân tử
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả tổng hợp các dẫn xuất curcumin
• 3.1.1. Kết quả tổng hợp (1E,4Z,6E)-5-hydroxy-1,7-bis(4-methoxyphenyl)hepta - 1,4,6-trien-3-one (QT01)
• 3.1.2. Kết quả tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)isoxazole (QT02)
• 3.1.3. Kết quả tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)-4H-pyrazole (QT03)
• 3.1.4. Kết quả tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)-1-phenyl-1H-pyrazole (QT04)
• 3.2. Kết quả docking phân tử các dẫn xuất curcumin
• 3.2.1. Kết quả redocking
• 3.2.2. Kết quả docking phân tử các dẫn xuất curcumin
• 3.3. Cơ chế tổng hợp các dẫn xuất curcumin từ chất nền p-methoxybenzaldehyde
• 3.3.1. Cơ chế tổng hợp (1E,4Z, 6E)-5-hydroxy-1,7-bis(4-methoxyphenyl)hepta - 1,4,6-trien-3-one (QT01)
• 3.3.2. Cơ chế tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)isoxazole (QT02)
• 3.3.3. Cơ chế tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)-4H-pyrazole (QT03)
• 3.3.4. Cơ chế tổng hợp 3,5-bis((E)-4-methoxystyryl)-1-phenyl-1H-pyrazole (QT04)
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về curcumin và các dẫn xuất

Phần này tập trung vào tính chất dược lý curcumin, bao gồm hoạt tính sinh học curcumin và vai trò của các nhóm chức năng trong phân tử. Curcumin, một curcuminoid chính trong củ nghệ, nổi tiếng với hoạt tính sinh học đa dạng như kháng viêm, kháng oxy hóa, và kháng ung thư. Tuy nhiên, curcumin có nhược điểm về độ bền và khả năng hấp thu kém. Vì vậy, việc tổng hợp các dẫn xuất curcumin nhằm cải thiện các tính chất này là rất cần thiết. Nghiên cứu in silico, đặc biệt là docking phân tử, đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán hoạt tính của các dẫn xuất curcumin mới trước khi tiến hành tổng hợp thực tế. P-methoxybenzaldehyde được lựa chọn làm chất nền trong nghiên cứu này vì tiềm năng tạo ra các dẫn xuất curcumin mới với khả năng liên kết tốt hơn.

1.1. Hoạt tính sinh học curcumin và cấu trúc

Curcumin sở hữu nhiều hoạt tính sinh học đáng chú ý. Hoạt tính kháng viêm của curcumin liên quan đến khả năng ức chế enzyme cyclooxygenase. Kháng oxy hóa của nó xuất phát từ nhóm hydroxyl trên vòng benzene, giúp bắt giữ gốc tự do. Hoạt tính chống ung thư của curcumin thể hiện qua việc ức chế sự phát triển và di căn của tế bào ung thư. Các nghiên cứu cho thấy curcumin có thể tương tác với nhiều protein khác nhau, tác động đến nhiều con đường sinh học. Hiểu rõ mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính của curcumin là nền tảng cho việc thiết kế các dẫn xuất curcumin hiệu quả hơn. Nghiên cứu docking phân tử giúp làm sáng tỏ các tương tác giữa curcumin và protein mục tiêu, từ đó tối ưu hóa cấu trúc để tăng cường hoạt tính. Curcuminoid khác như DMC và BDMC cũng được đề cập đến trong nghiên cứu này. Methoxybenzaldehyde, Cấu trúc curcumin, Phần mềm docking phân tử được sử dụng để tối ưu hóa quá trình nghiên cứu.

1.2. Tổng hợp dẫn xuất curcumin từ p methoxybenzaldehyde

Tổng hợp các dẫn xuất curcumin từ p-methoxybenzaldehyde là trọng tâm của nghiên cứu. Quá trình tổng hợp bao gồm các bước phản ứng chính xác để tạo ra các dẫn xuất curcumin mới. Các phản ứng hóa học được sử dụng cần được kiểm soát kỹ lưỡng để đảm bảo độ tinh khiết và hiệu suất cao. Cơ chế tổng hợp được làm rõ để hiểu quá trình hình thành liên kết và vị trí các nhóm chức năng trong các dẫn xuất curcumin. Phương pháp sắc ký và các kỹ thuật khác được sử dụng để tinh chế sản phẩm và xác định cấu trúc hóa học của các dẫn xuất curcumin. Phổ 1H NMR, phổ 13C NMR, HSQC, và MS là các kỹ thuật quan trọng trong việc xác định cấu trúc và độ tinh khiết của các hợp chất tổng hợp. Hóa học hữu cơ, Tổng hợp hữu cơ, phản ứng ngưng tụ, p-methoxybenzaldehyde là các khía cạnh quan trọng trong phần này. Chất nền p-methoxybenzaldehyde sẽ được khảo sát kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu quả của quá trình tổng hợp.

II. Docking phân tử và phân tích kết quả

Phần này trình bày chi tiết về phương pháp docking phân tử được sử dụng để đánh giá khả năng tương tác của các dẫn xuất curcumin với protein mục tiêu. Phần mềm docking phân tử như AutoDock Vina, GoldScore, hoặc Glide được sử dụng để thực hiện docking phân tử. Cơ sở dữ liệu protein (PDB) cung cấp thông tin cấu trúc 3D của protein mục tiêu. CDK2 (PDB: 2R3I) được chọn làm protein mục tiêu trong nghiên cứu này vì vai trò quan trọng của nó trong điều tiết chu kỳ tế bào và sự phát triển ung thư. Phân tích kết quả docking phân tử tập trung vào năng lượng liên kết, khả năng tương tác, và vị trí liên kết của các dẫn xuất curcumin trên protein mục tiêu. Benchmarking docking được thực hiện để đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

2.1. Phương pháp docking phân tử và chuẩn bị dữ liệu

Phương pháp docking phân tử được lựa chọn cần phải đảm bảo tính chính xác và hiệu quả. AutoDock Vina là một trong những phần mềm docking phân tử phổ biến và hiệu quả. Chuẩn bị dữ liệu cho docking phân tử bao gồm việc tối ưu hóa cấu trúc phân tử của các dẫn xuất curcumin và protein mục tiêu. Tối ưu hóa cấu trúc phân tử đảm bảo các phân tử ở trạng thái năng lượng thấp nhất. Mẫu protein được lấy từ cơ sở dữ liệu protein (PDB) và cần được làm sạch và chuẩn bị trước khi tiến hành docking phân tử. Việc lựa chọn phương pháp tối ưu hóa và tham số phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Tương tác protein-ligand được phân tích kỹ lưỡng sau khi quá trình docking phân tử hoàn tất. Mô hình hóa phân tử, tối ưu hóa cấu trúc, AutoDock Vina, Glide, GoldScore, PDB là các khía cạnh quan trọng trong phần này.

2.2. Phân tích kết quả docking phân tử và thảo luận

Phân tích kết quả docking phân tử nhằm xác định các dẫn xuất curcumin có khả năng liên kết tốt nhất với protein mục tiêu. Điểm đánh giá docking (ví dụ: GoldScore, Affinity score) được sử dụng để so sánh khả năng liên kết của các dẫn xuất. Khả năng liên kết được đánh giá dựa trên năng lượng liên kết và các tương tác phi cộng hóa trị (ví dụ: liên kết hydro, tương tác van der Waals). Vị trí liên kết của các dẫn xuất trên protein mục tiêu được xác định và phân tích chi tiết. Thảo luận kết quả tập trung vào việc giải thích các kết quả thu được, mối liên hệ giữa cấu trúc và hoạt tính, và tiềm năng ứng dụng của các dẫn xuất curcumin. Phân tích kêt quả docking, điểm đánh giá docking, khả năng ức chế, tương tác protein-ligand là các khía cạnh quan trọng trong phần này. Redocking được sử dụng để xác nhận độ chính xác của kết quả.

III. Kết luận và kiến nghị

Phần này tóm tắt các kết quả nghiên cứu, nêu bật những đóng góp và ý nghĩa của nghiên cứu. Kết luận nghiên cứu khẳng định được các mục tiêu đã đạt được. Kiến nghị đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để mở rộng và phát triển. Tầm quan trọng nghiên cứu được nhấn mạnh. Ứng dụng thực tiễn của các kết quả nghiên cứu cũng được đề cập. Thiết kế thuốc, dược phẩm, điều trị ung thư là các ứng dụng tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về curcumin, curcuminoid 1. Sơ lược về nghệ vàng và curcuminoid Nghệ, hay còn gọi là nghệ vàng, thuộc họ gừng, thân cao khoảng 0,6 đến 1,0 m. Thân rễ có dạng hình trụ hoặc hơi dẹt, khi bẻ hoặc cắt ngang có màu vàng cam do có chứa chất màu curcuminoid.

Lá hình trái xoan, thon nhọn ở hai đầu, hai mặt đều nhẵn, lá khum hình máng rộng, đầu tròn màu xanh lục nhạt, lá non hẹp hơn, màu tím nhạt (Hình 1. Củ nghệ có vị đắng, cay, mùi thơm hơi nồng, chứa tinh dầu với hàm lượng 3 – 5 % màu vàng nhạt, thơm. Ngoài ra, thành phần trong củ nghệ còn có tinh bột, canxi oxalate (CaC2O4) và chất béo [1]. Thân, củ nghệ vàng Hiện nay, nghệ là một cây trồng quen thuộc ở khắp các nước vùng nhiệt đới, từ Nam Á đến Đông Nam Á và Đông Á.

Ở Việt Nam, nghệ cũng được trồng ở khắp các địa phương, từ vùng đồng bằng ven biển đến vùng núi cao như Vĩnh Phúc, Hải Dương, Hưng Yên, Nghệ An, Quảng Nam, Đồng Nai, Bình Dương,… Phần củ nghệ được sử dụng trong thực phẩm, dược phẩm. Thành phần hóa học chính và quan trọng nhất của củ nghệ là curcuminoid (curcumin, demethoxycurcumin – DMC, bisdemethoxycurcumin – BDMC), chiếm hàm lượng khoảng 6%, là thành phần tạo màu vàng cho nghệ, trong đó lượng curcumin chiếm khoảng 70-80% khối lượng. Trong củ nghệ còn chứa tinh dầu (hàm lượng từ 2-7%) với các thành phần chính là artumeron, zingberen, borneol [2, 3]. Ngoài ra còn có những thành phần khác trong củ nghệ được trình bày trong Bảng 1.

1 do an Bảng 1. Thành phần các chất trong thân rễ nghệ Thành phần Khối lượng/100g Đơn vị Năng lượng thực phẩm 390 Kcal Nước 6,0 g Protein 8,5 g Chất béo 8,9 g Carbohydrate 69,9 g Tro 6,8 g Canxi 0,2 g Phospho 260 mg Natri 30 mg Kali 2000 mg Sắt 47,5 g Thiamine 0,09 mg Riboflavin 0,19 mg Niacin 4,8 mg Acid ascorbic 50 mg 1. Hoạt tính sinh học của curcuminoid Curcuminoid có 03 thành phần chính gồm curcumin, DMC và BDMC (Hình 1.2), trong đó curcumin chiếm thành phần lớn và có hoạt tính sinh học đa dạng, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Cấu trúc hóa học của curcuminoid 2 do an Curcumin tương đối trơ và không gây độc đối với cả động vật lẫn người ngay cả với lượng lớn.

Theo nghiên cứu, curcumin không gây độc với người khi dùng ở liều lượng cao [4]. Chính nhờ tính an toàn đó mà curcumin là chất có tiềm năng sử dụng trong ngành dược. Curcumin có giá trị hoạt tính sinh học đa dạng là do trong công thức cấu tạo của curcumin có các nhóm hoạt tính (Hình 1. Công thức cấu tạo của curcumin 1.

Nhóm parahydroxyl: hoạt tính chống oxi hoá 2. Nhóm keto: kháng viêm, kháng ung thư, chống đột biến tế bào 3. Nhóm liên kết đôi: kháng viêm, kháng ung thư, chống đột biến tế bào Hoạt tính sinh học chủ yếu của curcumin là kháng oxy hoá, kháng khuẩn, kháng virus và kháng một số loại ung thư. Các nghiên cứu cho thấy curcumin có tác dụng tiêu diệt tế bào ung thư.

Tại Mỹ, Đài Loan, người ta đã tiến hành thử lâm sàng dùng curcumin điều trị ung thư và kết luận rằng curcumin có thể ức chế sự phát triển tế bào ung thư da, dạ dày, ruột, vòm họng, dạ con, bàng quang. Curcumin còn có tương tác tốt với dạ dày, ruột, gan, mật, lọc máu, làm sạch máu, điều trị vết thương, chống viêm khớp, dị ứng, nấm, chống vi khuẩn. Từ nǎm 1993, các nhà khoa học thuộc Đại học Harvarrd (Mỹ) đã công bố ba chất có tác dụng kìm hãm tế bào HIV-1, HIV-1-RT và một trong ba chất đó là curcumin [5, 6]. Hoạt tính kháng oxy hóa Gốc tự do là các chất phản ứng mạnh, được tạo ra khi cơ thể thu nhận khí oxy hoặc chuyển hóa thức ăn để tạo ra năng lượng.

Bản thân các gốc tự do góp phần vào quá trình lão hóa của cơ thể. Tuy nhiên, nếu số lượng gốc tự do quá nhiều có thể gây tổn thương các tế bào lành. Đây là nguyên nhân chính dẫn đến một số bệnh như ung thư, 3 do an xơ cứng động mạch, làm suy yếu hệ thống miễn dịch gây dễ bị nhiễm trùng, làm giảm trí tuệ, teo cơ quan bộ phận người cao niên [7]. Curcumin là hợp chất tự nhiên có khả năng kháng oxy hóa.

Curcumin có khả năng ngăn cản sự tạo thành gốc tự do như superoxide, hydroxyl. Ngăn cản sự peroxide hóa các lipid trong cơ thể nhờ vào nhóm OH trên vòng bezene [8]. Tinh dầu và curcumin tách từ củ nghệ vàng thể hiện hoạt tính quét gốc tự do DPPH cao. Tinh dầu nghệ thể hiện hoạt tính kháng oxy hóa mạnh hơn so với curcumin ở cả hai thử nghiệm kháng oxy hóa DPPH và MDA [9].

Hoạt tính kháng viêm, kháng virus, vi khuẩn và kháng nấm Viêm nhiễm là một chuỗi phản ứng của cơ thể nhằm chống lại tổn thương mô. Phản ứng này cần thiết cho quá trình lành viết thương, nhưng đồng thời làm đau, nổi mẫn đỏ và phồng viết thương. Trong quá trình viêm nhiễm, cơ thể sinh ra arachidonic acid. Enzyme cylooxygenase chuyển hóa arachidonic acid thành các chất gây viêm.

Liên kết đôi ở C3,4 và C3’,4’ và nhóm OH ở C8,8’ (Hình 1.2) trên vòng benzene của curcumin có khả năng ức chế enzyme cylooxygenase, từ đó giảm quá trình chuyển hóa arachidonic acid [10]. Curcumin còn có khả năng ức chế virus HIV [11]. Ngoài ra, hỗn hợp các curcumin, DMC và BDMC còn có thể kháng giun [12]. Ngoài ra, tinh dầu nghệ vàng có khả năng kháng mạnh với các chủng vi nấm Microsporum gypseum, Trichophyton mentagrophytes, Candida albicans [9].

Hoạt tính kháng đông máu Sự kết tụ của các tiểu huyết cầu trong máu sẽ gây ra hiện tượng đông máu. Curcumin có khả năng ngăn cản hoạt động của enzyme cyclooxyenase tạo thêm tiểu huyết cầu, nên curcumin có tác dụng chống đông máu [13]. Hoạt tính kháng ung thư Ung thư hiện là căn bệnh nan y và hiện chưa có thuốc chữa. Yêu cầu của thuốc trị ung thư là ức chế sự phát triển và biệt hóa các tế bào ung thư nhằm chặn đứng sự phát triển và di căn của ung thư.

Tuy nhiên nhược điểm chung của đại đa số các thuốc trị ung thư hiện nay là không có sự chọn lọc cao, dễ kháng thuốc và hệ số an toàn giảm dần theo thời gian sử dụng, ngoài ra chúng có thể gây độc cho các tế bào lành và gây ra các tác 4 do an dụng phụ như rụng tóc, buồn nôn,… Vì vậy việc tìm ra một hoạt chất có tác dụng chống ung thư nguồn gốc từ tự nhiên và tăng hoạt tính của các hoạt chất đó đang là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Curcumin là chất ức chế tế bào ung thư theo cơ chế tự ức chế từng phần các tế bào ác tính [14]. Curcumin có tác dụng ức chế tế bào ung thư ở cả ba giai đoạn khởi phát, tiến triển và giai đoạn cuối. Kết quả là các tế bào ung thư bị vô hiệu hóa nhưng không gây ảnh hưởng đến tế bào lành tính, đồng thời ngăn ngừa sự hình thành tế bào ung thư mới.

Curcumin có khả năng ức chế sự tạo khối u, tác động đến hầu hết các giai đoạn của quá trình hình thành và phát triển khối u [13]. Trong giai đoạn đầu của bệnh, các tế bào bình thường bị tác động bởi các gốc tự do và bị biến đổi thành các tế bào ung thư. Curcumin có thể ngăn chặn quá trình này bằng cách bắt giữ các gốc oxy hóa khác nhau như gốc hydroxyl HO, gốc peroxyl ROO+, singlet oxygen [15]. Curcumin có khả năng bảo vệ lipid, hemoglobin và AND khỏi quá trình oxy hóa.

Curcumin tinh khiết có hoạt tính kháng oxy hóa mạnh hơn DMC và BDMC. Curcumin được chứng minh có khả năng chống di căn đối với một vài loại tế bào ung thư đồng thời ức chế sự phát triển của tế bào ung thư. Khả năng làm giảm quá trình di căn này còn phụ thuộc vào nguồn gốc và loại khối u ác tính [13]. Nhóm methoxy (-OCH3) được xác định có vai trò quan trọng trong cơ chế trung hòa gốc tự do DPPH của curcumin.

Curcuminoid và các dẫn xuất thể hiện hoạt tính gây độc tế bào ung thư tuyến tiền liệt PC3 mạnh. Trong đó, các dẫn xuất pyrazole thể hiện hoạt tính cao hơn so với curcumin, nổi bật là dẫn xuất methyl pyrazole- curcumincarboxylate có hoạt tính gấp 38 lần curcumin [9]. Pharmacophore của curcumin Curcumin là một diarylheptanoid với hai nhóm p-OH và m-OCH3 liên kết với một β- diketone bởi hai liên kết olefin đối xứng. Các liên kết đôi olefin được xem là cầu nối giữa vòng thơm và nhóm diketone và thường không được thay đổi khi thiết kế các dẫn xuất curcumin.

Thay vào đó, nhóm diketone, vòng thơm và các nhóm thế là mục tiêu chính trong thiết kế các dẫn xuất. Vì thế, các nhóm thế đã được thay đổi trên cấu trúc 5 do an curcumin, bao gồm các dẫn xuất có vòng 1,2 – azole để tạo thành dẫn xuất mới [16]. Khi loại bỏ nhóm p-OH hoặc thêm vào nhóm m-OCH3 dẫn đến hoạt tính chống tăng sinh tế bào giảm nhẹ [17]. Nếu thay đổi vị trí của nhóm p – phenolic và m – methoxy cho nhau thì hoạt tính chống tăng sinh tế bào bị mất đi [17].

Mối quan hệ giữa hoạt tính và cấu trúc hóa học của curcumin được thiết lập bằng cách so sánh hoạt tính sinh học của curcumin với các dẫn xuất của curcumin (Bảng 1. Cấu trúc hóa học của curcumin và dẫn xuất A Curcumin B Demethoxycurcumin Bisdemethoxycurcumin Tetrahydrocurcumin Hexahydrocurcumin C Octahydrocurcumin Kết quả cho rằng khả năng kháng viêm và kháng khối u của curcumin có liên quan đến mức độ hydro hóa, methoxy hóa và độ bất bão hòa của nhóm diketone [18]. Khả năng lấy gốc tự do của curcumin có liên quan đến số lượng nhóm thế m-OCH3 và mức độ hydro hóa của nhánh heptadiene trong cấu trúc của curcumin [19, 20]. Glycosyl hóa 6 do an vòng thơm làm cho curcumin tan trong nước với sự ổn định động học cao và chỉ số điều trị tốt [21].

Các dẫn xuất isoxazole và pyrazole của curcumin Trong nhiều năm qua, số lượng lớn các dẫn xuất curcumin đã được tổng hợp bởi các nhà nghiên cứu trên thế giới. Các dẫn xuất mới này có khả năng ức chế gốc tự do [22], gây độc tế bào, kháng viêm và các hoạt tính khác [23-25]. Một số dẫn xuất còn có hoạt tính chống ung thư [26], chất kích hoạt NF – κB [27], thuốc siêu vi [28],… Curcumin và 9 dẫn xuất curcumin (Hình 1.4) được tổng hợp để khảo sát hoạt tính.