Nghiên Cứu Ứng Dụng Tin Học Trong Khảo Sát Cấu Trúc Và Hoạt Tính Của Artemisinin

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp hóa học ứng dụng tin học để khảo sát cấu trúc và hoạt tính của artemisinin và các dẫn, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Nguyễn Quốc Thắng
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Ngân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Tin Học Trong Khảo Sát Cấu Trúc Và Hoạt Tính Của Artemisinin
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 1995-1999
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Cở sở lí thuyết
• 1.1.1. Phương trình sóng Schrödinger
• 1.1.2. Phương pháp trường tự hợp Hartree Fock
• 1.1.3. Hệ phương trình Roothaan
• 1.2. Các vấn đề xung quanh chuyển hóa thuốc
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP - KẾT QUẢ, THẢO LUẬN
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2. Kết quả và thảo luận
• 2.2.1. Cấu trúc và hoạt tính của ARTEMISININ
• 2.2.1.1. Cấu trúc
• 2.2.1.2. Hoạt tính
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Ứng Dụng Tin Học Trong Khảo Sát Cấu Trúc Artemisinin

Nghiên cứu ứng dụng tin học trong khảo sát cấu trúc và hoạt tính của artemisinin đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong hóa học hiện đại. Tin học ứng dụng giúp tối ưu hóa quá trình nghiên cứu, từ việc mô phỏng cấu trúc phân tử đến phân tích hoạt tính sinh học. Việc sử dụng các phần mềm chuyên dụng như Hyperchem và Gaussian cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện các phép tính phức tạp mà trước đây chỉ có thể thực hiện trong phòng thí nghiệm. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ chính xác trong việc dự đoán hoạt tính của các hợp chất. Bài viết này sẽ đi sâu vào các phương pháp và kết quả nghiên cứu liên quan đến artemisinin.

1.1. Lịch sử và Nguồn gốc của Artemisinin

Artemisinin được chiết xuất từ cây thanh hao (Artemisia annua L) và đã được sử dụng trong y học cổ truyền để điều trị sốt rét. Năm 1972, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã chiết xuất thành công artemisinin và xác định cấu trúc của nó vào năm 1977. Sự phát hiện này đã mở ra một hướng đi mới trong việc điều trị sốt rét, đặc biệt là các chủng kháng thuốc.

1.2. Tầm quan trọng của Nghiên cứu Tin Học trong Hóa Học

Nghiên cứu tin học trong hóa học không chỉ giúp mô phỏng cấu trúc phân tử mà còn hỗ trợ trong việc phân tích hoạt tính của các hợp chất. Các phần mềm như Gaussian và Mopac cho phép tính toán năng lượng và cấu trúc phân tử một cách chính xác, từ đó giúp các nhà nghiên cứu đưa ra các dự đoán về hoạt tính sinh học của artemisinin và các dẫn xuất của nó.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên cứu Artemisinin

Mặc dù artemisinin đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc điều trị sốt rét, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc nghiên cứu và phát triển các dẫn xuất của nó. Một trong những vấn đề lớn là sự chuyển hóa của artemisinin trong cơ thể, ảnh hưởng đến hiệu quả điều trị. Việc hiểu rõ cơ chế chuyển hóa này là rất quan trọng để tối ưu hóa hoạt tính của các dẫn xuất. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp phân tích chính xác để đánh giá hoạt tính của các hợp chất cũng là một thách thức lớn.

2.1. Các vấn đề liên quan đến chuyển hóa thuốc

Chuyển hóa thuốc là một quá trình phức tạp, ảnh hưởng đến nồng độ và thời gian tồn tại của thuốc trong cơ thể. Các yếu tố như pH, hệ enzyme và chế độ dinh dưỡng có thể làm thay đổi cấu trúc hóa học của artemisinin, từ đó ảnh hưởng đến hoạt tính của nó.

2.2. Thách thức trong việc phát triển dẫn xuất mới

Việc phát triển các dẫn xuất mới của artemisinin cần phải dựa trên hiểu biết sâu sắc về cấu trúc và hoạt tính của nó. Các nghiên cứu cần phải được thực hiện để xác định các nhóm chức năng có thể cải thiện hoạt tính và độ ổn định của các dẫn xuất này.

III. Phương pháp Nghiên cứu và Giải pháp Chính trong Khảo Sát Artemisinin

Để khảo sát cấu trúc và hoạt tính của artemisinin, các phương pháp tính toán hóa học hiện đại được áp dụng. Phương pháp trường tự hợp Hartree-Fock và phương pháp Roothaan là những công cụ quan trọng trong việc mô phỏng và phân tích cấu trúc phân tử. Các phần mềm như Gaussian cho phép thực hiện các phép tính phức tạp, từ đó giúp tối ưu hóa cấu trúc và dự đoán hoạt tính của artemisinin.

3.1. Phương pháp trường tự hợp Hartree Fock

Phương pháp Hartree-Fock là một trong những phương pháp chính trong hóa lượng tử, cho phép tính toán năng lượng và cấu trúc của các phân tử. Phương pháp này giúp xác định các obitan và năng lượng của chúng, từ đó đưa ra các dự đoán về hoạt tính của artemisinin.

3.2. Hệ phương trình Roothaan

Hệ phương trình Roothaan là một công cụ quan trọng trong việc giải quyết các bài toán hóa học phức tạp. Phương pháp này cho phép mô tả gần đúng các phân tử có nhiều electron, giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cấu trúc và hoạt tính của artemisinin.

IV. Kết quả Nghiên cứu và Ứng dụng Thực tiễn của Artemisinin

Kết quả nghiên cứu cho thấy artemisinin có hoạt tính mạnh mẽ trong việc điều trị sốt rét, đặc biệt là các chủng kháng thuốc. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các dẫn xuất của artemisinin có thể có hoạt tính cao hơn so với artemisinin nguyên bản. Việc ứng dụng tin học trong nghiên cứu đã giúp tối ưu hóa quá trình phát triển các dẫn xuất mới, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị.

4.1. Hoạt tính sinh học của Artemisinin

Artemisinin có khả năng tiêu diệt ký sinh trùng sốt rét thông qua cơ chế tạo ra các gốc tự do trong tế bào ký sinh trùng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hoạt tính của artemisinin có thể bị ảnh hưởng bởi cấu trúc hóa học của nó, đặc biệt là nhóm peroxit nội.

4.2. Ứng dụng trong điều trị sốt rét

Artemisinin và các dẫn xuất của nó đã được sử dụng rộng rãi trong điều trị sốt rét. Các nghiên cứu lâm sàng cho thấy artemisinin có hiệu quả cao trong việc điều trị các chủng sốt rét kháng thuốc, mở ra hy vọng mới cho bệnh nhân.

V. Kết luận và Tương lai của Nghiên cứu Artemisinin

Nghiên cứu về artemisinin và các dẫn xuất của nó vẫn đang tiếp tục phát triển. Việc ứng dụng tin học trong nghiên cứu hóa học đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tối ưu hóa cấu trúc và hoạt tính của các hợp chất. Tương lai của nghiên cứu artemisinin hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ trong điều trị sốt rét và các bệnh lý khác.

5.1. Tương lai của nghiên cứu artemisinin

Nghiên cứu artemisinin sẽ tiếp tục được mở rộng với sự phát triển của các công nghệ mới trong hóa học. Việc phát triển các dẫn xuất mới có thể giúp cải thiện hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ.

5.2. Ứng dụng công nghệ mới trong nghiên cứu

Công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể được áp dụng trong nghiên cứu artemisinin, giúp tối ưu hóa quá trình phát triển và phân tích hoạt tính của các hợp chất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP, HỒ CHÍ MINH TRUONG ĐẠI HỌC SU PHAM KHOA HOA m›lllcs LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ARTEMISININ YA CAC DAN XUAT Giảng viên hướng dẫn: NGUYEN VĂN NGÂN Sinh viên thựchiện — :NGUYỄN QUỐC THẮNG Niên khóa: 1995-1999 Luận văn này được thực hiện (tại tổ vi tính khoa Hóa, Trường Đại học Sư Phạm Thành Phố Hổ Chi Minh) dươi sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Ngân. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Văn Ngân về sự hướng dẫn tận tình cũng như những kiến thức và kinh nghiệm quí báu mà thầy đã cung cấp cho em. Em cũng xin gửi lời đến thẩy, cô khoa Hóa Trường Đại học Sư phạm đã vun đắp cho em có được ngày hôm nay. Xin chân thành cảm ơn sự động viên và giúp đỡ của các bạn lớp Hóa 4 và Hóa 3 để tôi hoàn thành luận văn.

Nguyễn Quốc Thắng Máy tính ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống. Ngày nay, máy vi tính đã đi vào cơ quan, xí nghiệp, bệnh viện, trường học và từng hộ gia đình để phục vụ nhiều nhu cẩu như tính toán tién lương trong xí nghiệp, điểu khiển hoạt động của máy móc, lưu lại hổ sơ học sinh, giải trí, trao đổi, truy cập thông tin trên mạng. Riêng đối với hóa học, việc ứng dụng tin học đã mở ra một ngành mới là ngành hóa tin. Ngành hóa tin đang được nghiên cứu sử dụng ở các trường Đại học như Đại học khoa học tự nhiên, Đại học kỹ thuật, Dai học dược.

và trường phổ thông chuyên Lê Hồng Phong, việc ứng dụng tin học vào hóa học đã đạt được nhiều thành tựu. Xuất phát từ đặc điểm của máy tính là tính toán nhanh và cho kết quả tương đối chính xác, ngành hóa tin được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc và hoạt tính của rất nhiều chất, thiết kế phân tử bằng máy tính, nghiên cứu nhiều phan ứng phức tạp hoặc những trạng thái chuyển tiếp nhanh mà con người không thể cô lập được chúng để nghiên cứu. Để thực hiện được diéu đó, chúng ta phải có nhiều bộ chương trình được viết chuyên về hóa như : Hyperchem, Chemplus, Mopac, Gausian. Các chương trình trên máy tính này có thể được xem như một phòng thí nghiệm thu nhỏ.

Để minh họa cho khả năng ứng dụng tin học hóa học, chúng tôi chọn để tài : Ứng dụng tin học để khảo sát cấu trúc và hoạt tính của ARTEMISININ và các dẫn xuất. Mé đầu Phần I Tổng quan L.1 Cở sở lí thuyết: I.1 Phương trình sóng Schrödinge€r.2 Phương pháp trường tự hợp Hartree Fock.3 Hệ phương trình Roothaan.1 Các vấn dé xung quanh chuyển hóa thuốc.2 Phan ứng thủy phn.3 Đối tượng nghiên cứu: ee. rere en 14 I0 Ce)To aixtssgi6ii1008608088ã686ã66088868818665858105108i68i08514 14 | cecceneoeererrnuiaeiaoaeoianisnssgusesssetssu6ieuapssscoscoesoav35052025802034 1S Phần II Phương pháp - Kết quả, thảo luận: IL1 Phương DHẾPGceeneeeeeesee “Ä“#£.ety n “#999969 999999999 HERE EEE Ki hhhhhahdšàà eee || I2 Cấu trúc và hoạt tinh của ART.tưibox6 trao en „18 11.3 Cấu trúc các dẫn xuất.},‡ĐĐ1109000000011491901419191941901010490100010900004040440044400049009049990999099999 wel HIẾU NT G6 öc hết emai mir inn issasscsasecons nena NAA RRS RER SER 55 : Artemisinin.1 Phương trình sóng Schrédinger: Trong cơ học cổ điển, năng lượng của một hệ thống chứa các phần tử tương tác được diễn tả bởi hàm số H = T+ V, T, V ứng với động năng và thế năng, H là năng lượng toàn phần cũng thường được ký hiệu là E. E=T+YV Theo Schrédinger thì tổng số T + V có thể được thay bằng toán tử Hamilton H = T + V và phương trình sóng Schrödinger có dạng : HW=EW Đối với hệ nhiều €, thì hàm sóng € toàn phan \„ và năng lượng € toàn phan.

E, của hệ có N E và 1 hoặc k hạt nhân theo sự đơn giản hóa ta có thể xem các hạt nhân đứng yên ở những vvị trí cố định; Nếu Yq, Eq) là hàm riêng và trị riêng của toán tử Hamilton toàn phân HỀ Hà của hệ thì phải thỏa mãn phương trình Schrödinger: Ry Ya = Ee Ye Keni)kể đến tương tác tĩnh điện ta có : = TQ + Un £ Us + Un == $(- 2 vi) i=) i=} 2m “~~ Te: là toán tử động năng của N E; V; là toán tử Laplac đối với &. a? a? a? VÀ = + + Ôy2 Oy? 6,2 a 1 TY c Ue = — 2 U đó Uyg= g(i,j)= tron — 2 iwj tụ Uce là tương tác đẩy tĩnh điện giữa N E lấy từng cặp E một mỗi cặp chỉ lấy 1 lần, nên Uj và Uji cùng biểu thị tương tác giữa 2 E: i vàj nên có hệ số % trước biểu thức của Use 2 Un = 1 > = Phương trình này chỉ áp dụng chính xác cho các hệ thống đơn điện tử như Hidrogen : 2 2 2 2 Ze? là: = s== yp. 2m ôx? Oy? ô„2 r m : khối lượng điện tử h= ; h là hằng số planck. + toán tử laplac Ôx‡ ôy,? Ồ„2 Z : điện tích hạt nhân.

Đối vớihệ thống nhiều điện tử thì khi kể đến tương tác đẩy e thì sự có mặt của số hạng Uy = Lm làm bài toán không giải được. Do đó muốn giải được bài toán thì phải dùng các phương pháp giải gần đúng.2 Phương pháp trường tự hợp Hartree - Fock Để giải bài toán đối với nguyên tử có N ©, R.Hartree đã xây dựng phương pháp trường tự hợp SCF (Self Consistent Field), trong đó, hàm sóng ‘Ye: được lấy gần đúng dưới dạng tích đơn giản các hàm spin - obitan : Yer = À¡(1) À¿(2). Hàm này được V. Fock thay bằng hàm sóng phan xứng dang định thức Slater.

Năng lượng E« của hệ N € mô tả bởi hàm số 1 định thức Slater. Để thu được hàm sóng tốt nhất vé mặt năng lượng, ta cực tiểu hoá Eq bằng cách làm biến phân các obitan W,, \/, có thể kể đến diéu kiện chuẩn hoá của chúng, có thể thực hiện diéu đó bằng phương pháp thừa số bất định Lagrange và thấy rằng các obitan tốt nhất là những obitan SCF thỏa mãn hệ phương trình Hartree - Fock.,2n) Fu là toán tử Fock | € Obitan W;¡ là hàm riêng ứng với trị riêng e¡ của Fu € : năng lượng obitan H-F đối với obitan `, Toán tử Fock có dang : Pu = fy +, Tỳ, là toán tử Hamilton 1 € trong trường chỉ của các hạt nhân ^^ 2 2 Gi toán tử tượng tác E, đối với hệ có số chẩn N = 2n €va có vỏ kín, nó có dạng : G=¥ 25 w-Bw) trong 46) (1) % (u) là những toán tử 1 & được xác định bởi : Tw wi(w) = ( e pH dt, ) W¡(H) Tuy Riw www = (7 MO-wMa, ) yw Tyy thì phải biết W;, ‘Yj. Rõ ràng đây là một vòng lẩn quẩn. Một khó khăn nữa là phương trình 1 € vẫn còn là phương trình có 3 biến và chỉ giải được nếu đưa nó vé phương trình chỉ còn một biến; điểu này thực hiện được đối với nguyên tử vì có thể trung bình hoá các thể hiệu dụng 1 € trong nguyên tử sao cho có đối xứng xuyên tâm, nhưng đối với phân tử thì phươtrình ng 1 # vẫn Rhó giải vì các thế 1 € trong phân tử khó đối xứng xuyên tâm.

Do đó phương trình Hartree - Fock khó dùng cho phân tử, Sau này C. Roothaan mới thành công trong việc áp dụng tốt phương pháp Hartree - Fock cho các MO xây dựng gần đúng dưới dạng LCAO. Tuy nhiên có thể giải phương trình Hartree - Fock bằng phương pháp gần đúng liên tiếp. Trước tiên tự cho một bộ hàm thử ban đầu \ (i= 1, 2,.

Giải bài toán trị riêng của F, (1) thu được \; (1), thường thì `; (1) khác với ¥;° do đó lập lại phép tính lấy \⁄/(1) để xây dựng F, (2) ; giải bài toán trị riêng của F, (2) thư được W2) nếu khác với W1) thì tiếp tục lặp lại cho đến khi W/&k) thu được lần k không còn khác với ‘i(k - 1) thu được lần k - 1. Khi đó các obitan thu được lan k gọi là các obitan SCF và các ¢; tương ứng chúng là năng lượng obitan H - F tốt nhất. 1,3 Hệ phương trình Roothaan : Xét phân tử có trạng thái cơ bản đơn tuyến có số chấn N = 2n € hợp thành vỏ kín. Trong tường hợp này, ta có thể mô tả gần đúng bằng hàm sóng | định thức Slater xây dựng từ n MO ¥; (¡ = 1,2,.

MO W; được biểu thị gần đúng dưới đạng MO LCAO.,m) (1) ọ, là cdc AO cơ sở, khu trú trên những nguyên tử và được phân biệt bằng những chi số r, s, t, u. Các Ao cơ sở đã cho trước. Vậy để xác định MO W cần tìm các hệ số C„ MOLCAO tốt nhất là MOLCAO. SCF thu được khi áp dụng phương pháp trường tự hợp Hartree - Fock.

Đó là những MOLCAO. \Ÿ; có các hệ số Ci, thỏa mãn hệ phương trình sau đây do Roothaan thiết lập : (Fy - £¡S„) Cy = 0 (S=1,2,.,m) (2) ¢ l năng lượng MO ¥, và là một trong những nghiệm thấp nhất của phương trình bậc m sau : hạ+ D>) Cie Cin (2(rs ku) - (ru fts)} (5) i ue trong đó : rm be = <@ltylo. du dt, Ty Về qui ước những hàmở vế trái của kí hiệu “|” ứng với Sp, những hàm ở vế phải ứng với Ev và ở mỗi vế, hàm viết trước được lấy liên hợp phức; biểu thức của (ru|ts) cũng viết theo cách như vậy. Sis, he là tích phân le, còn (rs Itu) và (ru Its) là tích phân 2€ Cũng như phương trình Hartree - Fock, hệ phương trình Roothaan chỉ có thể giải bằng phương pháp lặp cho đến khi thu được trị tự hợp.

Gọi P là ma trận cấp liên kết giữa các AO ọ, vào, , các phần tử ma trận Pụ xác định như sau : Pa=2 ` UG ©) =i Trong đó tổng được lấy với mọi MO ¥, có chiếm Thế (6) vào (5) sẽ được 1 Fx = hạ+ 3) Pu f (situ)- —- (ru[ts)) Trên đây là phan cốt lõi của phương pháp tính toán dựa trên lý thuyết vân đạo phân tử và nguyên tắc trường tự hợp có sự bổ sung của phương trình Roothaan. Phương pháp này được thực hiện theo 2 hướng : ab initio (thuần lý thuyết) và bán thực nghiệm (kết hợp thực nghiệm với lý thuyết). Tuy nhiên, phương pháp bán thực nghiệm được áp dụng phổ biến hơn là phương pháp ad initio trong tính toán bằng máy tính. Do nó không đòi hỏi quá nhiều thời gian cho PCU đối với hệ thống nhiều nhân và điện tử.

L 2 Biến hoá thuốc : ) 2.