Nghiên cứu hiệu quả của thuốc kháng HIV trên cơ sở tương tác của một số chất ức chế protease với HIV protease bằng lý thuyết

Dịch AIDS ảnh hưởng đến triệu người trên toàn thế giới và đã làm hơn 22 triệu người chết. AIDS gây ra bởi HIV retrovirus tấn công hệ thống miễn dịch của con người làm cho nạn nhân dễ bị nhiễm nhiều bệnh khác nhau. Do mức độ nghiêm trọng của virus HIV, nhiều nghiên cứu đã được dành để phát triển liệu pháp kháng virus. Trong những năm gần đây, các chất ức chế protease và chất ức chế men sao chép ngược Nucleoside được nghiên cứu và phát triển. Trong đó các chất ức chế protease đóng vai trò quan trọng. Mặc dù các chất ức chế không chữa được bệnh nhưng có thể nâng cao chất lượng và kéo dài tuổi thọ của những người bị nhiễm AIDS. Đã có hơn 2000 chất ức chế protease được tạo ra nhưng chỉ có khoảng 9 chất được cấp phép sử dụng. Mục đích của luận văn này đó là nghiên cứu hiệu quả của thuốc kháng HIV trên cơ sở tương tác của chín chất ức chế với HIV 1 protease nguyên bản. Các chất ức chế protease gồm: Saquinavir, Indinavir, Ritonavir, Amprenavir, Nelfinavir, Lopinavir, Atazanavir, Tipranavir và Darunavir. Chúng tôi sử dụng nguồn dữ liệu từ protein data bank. Đây là kho lưu trữ rất phong phú về cấu trúc 3D của các phân tử lớn như protein hay enzyme. Chúng tôi lấy file cấu trúc 3D của các chất ức chế tương tác với HIV 1 protein. Sau đó, chúng tôi sử dụng phần mềm Accelrys Discovery Studio để những amino axit trong protease hình thành liên kết hidro với chất ức chế. Sau đó chúng tôi sẽ xây dựng hệ phân tử gồm amino axit có liên kết hidro và chất ức chế. Chúng tôi sẽ tính toán năng lượng liên kết hidro giữa amino axit trong protease và chất ức chế bằng Gaussian09W. Từ những giá trị tính toán được, chúng tôi thu được kết quả như sau: Sự tương tác liên phân tử giữa chất ức chế và HIV 1 protease hình thành do liên kết hidro giữa chất ức chế và các phần amino axit trong protease quyết định hiệu quả sử dụng chất ức chế trong điều trị HIV. Những phần amino axit quyết định khả năng tương tác giữa chất ức chế và HIV 1 protease là những amino axit ở trung tâm hoạt động như asp25A, asp25B. Bên cạnh đó, các phần amino axit Asp29 và asp30 cũng đóng vai trò quan trọng. Nhóm chức quan trọng nhất của chất ức chế để tăng khả năng tương tác giữa chúng và HIV 1 protease đó là nhóm hidroxyl (OH). Sau đó phải kể đến các nhóm chức CO, NH. Tipranavir là trường hợp đặc biệt trong các chất ức chế đã nghiên cứu. Tipranavir hình thành những liên kết yếu với phân tử protease, khả năng tương tác kém chặt chẽ nhưng Tipranavir có hiệu quả cao trong quá trình sử dụng để điều trị HIV, đặc biệt với chủng HIV 1 protease đột biến. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới về các chất ức chế tương tác kém với phân tử protease nhưng lại tạo hiệu cao trong sử dụng. Darunavir là một chất ức chế mới nhất và có hiệu quả cao nhất trong các chất ức chế. Darunavir hình thành nhiều liên kết hidro có cường độ mạnh với phân tử HIV1 protease và hiệu quả sử dụng Darunavir trong quá trình chữa HIV rất cao. Điều này phù hợp với những nhận định chúng tôi đưa ra trước đó về mối quan hệ giữa hiệu quả sử dụng chất ức chế và khả năng tương tác chất ức chế với phân tử protease.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 CƠ SỞ HÓA LƯỢNG TỬ 3

1.1.1 Phương trình Schrodinger tổng quát 3

1.1.2 Lý thuyết Phiếm hàm mật độ (DFT) 4

1.1.1.1.Phiếm hàm mật độ 4

1.1.1.2 Mẫu Thomas-Fermi (TF) 5

1.1.1.3 Gần đúng mật độ electron cục bộ (local density approximation – LDA) .6 1.1.1.4 Lý thuyết Hohenberg-Kohn (HK) 7

1.1.1.5 Mật độ electron và hàm sóng 10

1.1.1.6 Mẫu Thomas-Fermi-Dirac 10

1.1.3 Phương pháp Kohn-Sham [1] 11

1.1.4 Mật độ tại chỗ và các gần đúng của EXC [1] 16

1.1.5 Phương pháp cấu trúc electron (electronic structure)[5] 19

1.1.5.1 Phương pháp bán thực nghiệm 19

1.1.5.2 Phương thức tính toán lượng tử ab initio 20

1.1.6 Gần đúng obital phân tử [5] 20

1.1.6.1 Thuyết obital phân tử 20

1.1.6.2 Hệ hàm cơ sở 21

1 2 CƠ SỞ VỀ HIV 26

1.2.1 Giới thiệu chung về HIV 26

1.2.2 Protease của HIV-1 (gọi tắt là HIV-1 protease) 28

1.2.2.1 Cấu trúc của HIV-1 protease 28

1.2.2.2 Chức năng của HIV-1 protease 30

1.2.3 Các chất ức chế protease kháng virus 31

1.2.3.1 Saquinavir 31

1.2.3.2 Ritonavir 32

1.2.3.3 Indinavir 34

1.2.3.4 Nefinavir 34

1.2.3.5 Amprenavir 35

1.2.3.6 Lopinavir 36

1.2.3.7 Atazanavir 37

CHƯƠNG 2 NGUỒN DỮ LIỆU VÀ CÔNG CỤ TÍNH TOÁN 41

2.1 NGUỒN DỮ LIỆU 41

2.2 PHẦN MỀM ACCERYL DISCOVERY STUDIO 2.5 42

2.3 PHẦN MỀM GAUSSIAN 09W VÀ GAUSS VIEW 5.0 43

2.4 CÁCH TÍNH NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HIDRO 46

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47

3.1 KHẢO SÁT HỆ PHÂN TỬ CÓ SAQUINAVIR: 47

3.2 KHẢO SÁT HỆ PHÂN TỬ CÓ RITONAVIR: 50

3.3 KHẢO SÁT HỆ PHÂN TỬ CÓ INDINAVIR 53

3.4 KHẢO SÁT HỆ PHÂN TỬ CÓ NELFINAVIR 55

3.5 KHẢO SÁT HỆ PHÂN TỬ CÓ AMPRENAVIR 58

3.6 KHẢO SÁT HỆ PHÂN TỬ CÓ LOPINAVIR 60

3.7 KHẢO SÁT HỆ PHÂN TỬ CÓ ATAZANAVIR 63

3.8 KHẢO SÁT HỆ PHÂN TỬ CÓ TIPRANAVIR 66

3.9 KHẢO SÁT HỆ PHÂN TỬ CÓ DARUNAVIR 69

3.10 TỔNG QUÁT VỀ SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA CHẤT ỨC CHẾ VÀ HIV -1 PROTEASE 72

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC

đã có nhiều loại biệt dược được điều chế để chữa các bệnh hiểm nghèo, trong đó cóbệnh AIDS.

Dịch AIDS ảnh hưởng đến triệu người trên toàn thế giới và đã làm hơn 22triệu người chết AIDS gây ra bởi HIV retrovirus tấn công hệ thống miễn dịch củacon người làm cho nạn nhân dễ bị nhiễm nhiều bệnh khác nhau Do mức độ nghiêmtrọng của virus HIV, nhiều nghiên cứu đã được dành để phát triển liệu pháp khángvirus Trong những năm gần đây, các chất ức chế protease và chất ức chế men saochép ngược nucleoside được nghiên cứu và phát triển Trong đó các chất ức chếprotease đóng vai trò quan trọng Mặc dù các chất ức chế không chữa được bệnhnhưng có thể nâng cao chất lượng và kéo dài tuổi thọ của những người bị nhiễmAIDS Đã có hơn 2000 chất ức chế protease được tạo ra nhưng chỉ có khoảng 9 chấtđược cấp phép sử dụng Việc tạo ra chất ức chế protease đã đem lại niềm hy vọngcho những người bị bệnh AIDS một tương lai tốt đẹp hơn Trên thế giới đã có nhiềunghiên cứu về chất ức chế protease, trong đó thường nhắc đến hiệu quả và khả năng

ức chế, người ta dựa vào nhiều yếu tố trong đó có yếu tố rất quan trọng đó là liênkết hidro giữa các amino axit của HIV protease và chất ức chế protease Chính vìvậy, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu hiệu quả của thuốc kháng HIV trên cơ

sở tương tác của một số chất ức chế protease với HIV protease bằng lý thuyết” Đâylà một trong những hướng đi mới ở Trung tâm ứng dụng Tin học trong hóa học(CCC: Center for Computational Chemistry) tại Khoa Hóa học, Trường Đại họcKhoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Đây là hướng nghiên cứu có triểnvọng

Luận văn bao gồm các phần sau:

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2 Nguồn dữ liệu và công cụ tính toán

- Chương 3: Kết quả và thảo luận

- Kết luận và tài liệu tham khảo

Nội dung nghiên cứu:

- Tối ưu hóa hệ phân tử gồm chất ức chế protease và các amino axit trongHIV -1 protease

- Tính góc liên kết, độ dài liên kết, năng lượng liên kết hidro giữa các chất

ức chế protease và các amino axit trong HIV -1 protease

- Dựa vào các thông số về liên kết hidro, đưa ra những nhận xét và kết luận

về mối liên hệ giữa khả năng tương tác của thuốc kháng HIV và liên kếthidro

- Đưa ra hướng đi tiếp theo trong việc nghiên cứu về thuốc kháng HIV.Chúng tôi hy vọng luận văn này sẽ là tài liệu hữu ích cho việc nghiên cứu về thuốckháng HIV, vì hiện nay thuốc chữa HIV vẫn là một vấn đề mà giới y học trongnước và trên thế giới rất quan tâm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 CƠ SỞ HÓA LƯỢNG TỬ

1.1.1.Phương trình Schrodinger tổng quát [4, 6, 7]

Áp dụng cơ học lượng tử vào hóa học đã chỉ rõ mối liên hệ giữa trạng tháicủa hệ vật lý vi mô được xác định bởi phương trình Schrodinger ở trạng thái dừng

có dạng tổng quát sau:

) R ( T ) r T

+ +

+ +

Phép gần đúng Born – Oppenheimer được sử dụng để đơn giản hóa việc giảiphương trình Schrödinger Vì khối lượng của hạt nhân lớn hơn hàng ngàn lần khốilượng electron do đó hạt nhân chuyển động rất chậm so với electron Có thể nóirằng, ứng với một sắp xếp xác định của các hạt nhân tại một thời điểm bất kỳ, hệluôn có thể đạt tới năng lượng cực tiểu bằng cách sắp xếp lại các electron của nó Vìvậy, hệ có thể được tách thành hai phần: phần chuyển động của hạt nhân và phầnchuyển động của các electron Do đó, một cách tương ứng có thể tách toán tửHamilton toàn phần (1.1) thành hai phần, một cho chuyển động của hạt nhân và một

cách độc lập Do đó, xây dựng một toán tử Hamilton electron mà nó bỏ qua số hạngđộng năng của các hạt nhân:

j

i ij

n

1 i

n

1 s

N

1

i is

s 2

i

elec

R

Z Z r

1 r

Z 2

1

Phép gần đúng Born-Oppenheimer xem các electron chuyển động trongtrường hạt nhân tĩnh (động năng hạt nhân bằng không), lúc đó số hạng tương táctĩnh điện giữa các hạt nhân nguyên tử Vnucl là hằng số, nên có thể tách số hạng nàykhỏi toán tử Hamilton của electron Lúc này toán tử Hamilton trở thành:

n

1 s

N

1

i is

s 2

i

elec

r

1 r

Z 2

1

Trong đó, N là số hạt nhân, n số electron trong hệ, Zs là điện tích hạt nhân,

ris là khoảng cách từ electron i đến hạt nhân s, rij là khoảng cách giữa hai electron ivà j Phương trình Schrödinger trở thành :

Ở đây Ψel là hàm sóng electron Mục đích chủ yếu của hóa học tính toán làgiải phương trình (1.5), nên ở đây có thể sử dụng ký hiệu Ψthay Ψel trong phươngtrình này

1.1.1.1 Phiếm hàm mật độ)

Hàm số biểu diễn một quy luật để đi từ biến số x đến một giá trị f(x) Phiếmhàm biểu diễn một quy luật để đi từ một hàm f đến một giá trị F[f], trong đó f(x) làmột hàm Giá trị kỳ vọng ψ Hˆψ của hoá lượng tử là một phiếm hàm: cho biết ψ

chúng ta sẽ có một giá trị bằng số của kỳ vọng này Vì thế, tương tự với ψ ψ

phương pháp biến phân thông dụng trong hoá lượng tử δE[ ]ψ =0 là sự khảo sát cựctiểu hoặc cực trị của một phiếm hàm

Vi phân (differential) của một phiếm hàm là phần phụ thuộc tuyến tính vào

δf của biến phân (difference) F[f+δf] –F[f] Mỗi δf(x) đều có thể đóng góp vào biếnphân này và như thế với δf rất nhỏ ta có thể viết

dx)x()

nguyên tử Thomas đã phát biểu giả thiết rằng: “Các electron được phân bố đồng

nhất trong không gian pha 6 chiều mô tả chuyển động của các electron với tỷ lệ 2

điện tích hạt nhân và sự phân bố electron này” Phát biểu này giúp ta có thể dẫn ra

công thức phiếm hàm động năng Thomas-Fermi (TF) nổi tiếng theo đơn vị a.u

1.1.1.3 Gần đúng mật độ electron cục bộ (local density approximation – LDA)

Một trong những ý tưởng quan trọng nhất của lý thuyết phiếm hàm mật độhiện đại là gần đúng mật độ cục bộ Trong phép gần đúng này, tính chất electronđược xác định như là phiếm hàm của mật độ electron bằng cách áp dụng mối liên hệcục bộ (local relation) gần đúng cho một hệ electron đồng thể (homogeneous)

Từ (1.7) có dạng gần đúng của động năng electron theo mật độ ρ(r) Trongkhi đó công thức năng lượng được dẫn ra một cách chặt chẽ có dạng:

2 1 2 1 2 12 '

' 1

2 ( , ) ( ) ( ) 1 ( , )

2

1

r r r r r

r r r

r r

r r

d d r

d v

d

E =∫− ∇rρ  = +∫ ρ +∫∫ ρ (1.8)

Trong đó năng lượng có 3 số hạng: động năng electron, thế năng electron và thế năng electron-electron (1.8) chứa một hàm mật độ ρ(r) 3 toạ độ vàhai hàm ρ1(r’,r) và ρ2(r1,r2) 6 toạ độ Nếu tiếp tục bỏ qua dạng trao đổi và tươngquan trong (1.8) như thế chỉ tính đến các năng lượng tĩnh điện cổ điển hút nhân-electron và đẩy electron –electron ta có thể thu được công thức năng lượng theo mậtđộ electron

2 1

2 1 3

/

2

1)()

()

r r

r r r

r r

r

r Z d C

E TF ρ = F∫ρ − ∫ρ + ∫∫ρ −ρ

(1.9)

Đây là phiếm hàm năng lượng của lý thuyết Thomas-Fermi về các nguyên

tử Với các phân tử, số hạng thứ hai được biến đổi cho phù hợp Nếu chúng ta giảthiết rằng trạng thái 0 của một nguyên tử đang được xem xét thì mật độ electron sẽphải ứng với cực tiểu phiếm hàm năng lượng E TF[ρ(r)] với điều kiện cưỡng bức

{E TF ρ µTF ρ r d r N

dẫn tới phương trình Euler-Lagrange

3

5)(

3 /

2 r r

δρ

ρδ

r

d r

Phương trình (1.13) có thể giải được với điều kiện cưỡng bức (1.10) và gánmật độ electron nhận được vào phương trình (1.9) sẽ cho tổng năng Đây là lýthuyết Thomas-Fermi về nguyên tử, một mô hình rất đơn giản

1.1.1.4 Lý thuyết Hohenberg-Kohn (HK)

Trong một thời gian dài, mẫu TF không được nhiều sự chú ý do độ chính xáckhi mô tả nguyên tử không được như các mẫu khác và vì thế, thường được xem nhưlà một mẫu rất đơn giản không có tầm quan trọng đối với việc dự báo định lượngtính chất nguyên tử, phân tử và vật lý chất rắn Tuy vậy, tình hình đã thay đổi khiHohenberg và Kohn (1964) đề xuất một lý thuyết cơ sở chỉ ra rằng với trạng thái 0mẫu TF có thể được xem như một tiếp cận tới một lý thuyết chính xác: lý thuyếtphiếm hàm mật độ

Giả sử rằng với một hệ electron được mô tả bởi Hamilton

1

2 1

r

Z

v ) (r là thế “ngoài” (external) tác dụng lên electron i từ hạt nhân

có điện tích Zα ri là tọa độ không gian tổ hợp với tọa độ spin si thành tọa độ χi của

electron Cả năng lượng trạng thái 0 và hàm sóng trạng thái 0 đều được xác định

ψ

[ ]

ΨΨ

ΨΨ

Thế ngoài v(r) được xác định bởi mật độ electron ρ(r) với một hằng số cộngkhông đáng kể (trivial)

Bởi vì ρ(r) xác định số electron nên có thể suy ra rằng ρ(r) cũng xác địnhhàm sóng trạng thái 0 ψ và tất cả các tính chất khác của hệ Lưu ý rằng v(r) khôngchỉ giới hạn trong lực tương tác Coulomb Việc chứng minh lý thuyết này rất đơngiản

Như vậy, ρ xác định N, v, và vì thế xác định tất cả các tính chất ở trạng thái

0 chẳng hạn như động năng T[ρ], thế năng V[ρ] và tổng năng E[ρ] Thay cho (1.3)

12

1

r r r

r

là thế của lực đẩy cổ điển Dạng phi cổ điển là một đại lượng rất khó nắm bắt nhưngrất quan trọng, là phần chủ yếu của “năng lượng trao đổi - tương quan” (exchange-correlation energy-EXC) được xác định ở những phần sau đây.

Lý thuyết Hohenberg-Kohn thứ hai nói về nguyên lý biến phân năng lượng:với một mật độ thử (trial) ρ~ r( ) sao cho ρ~(r)≥0 và ∫ρ~(r) dr = N ta có:

()(r r δρ r

ρ

δδρ

ρδ

Đại lượng µ được gọi là hoá thế

Nếu biết chính xác FHK[ρ] (1.24) sẽ là một phương trình chính xác của mậtđộ electron trạng thái 0 Lưu ý rằng FHK[ρ] trong phương trình (1.24) được xác địnhđộc lập với thế v(r); điều đó có nghĩa là FHK[ρ] là một phiếm hàm tổng hợp(universal functional) của ρ(r) Một khi có một dạng tường minh (gần đúng hoặcchính xác) đối với FHK[ρ] thì chúng ta có thể áp dụng phương pháp này cho một hệ

1.1.1.5 Mật độ electron và hàm sóng

Như ở trên đã trình bày, mật độ electron xác định đơn giá tính chất của trạngthái 0, đặc biệt là năng lượng trạng thái 0 DFT sử dụng khái niệm tính khả biểu(representability) của mật độ electron để chỉ khả năng biểu diễn một mật độ nào đóbằng các hàm sóng bất đối xứng của Hamilton (1.22) của hoá lượng tử Không phảimật độ nào cũng khả biểu Mật độ là khả biểu (v-) nếu nó là mật độ gắn kết với hàmsóng trạng thái 0 bất đối xứng của Hamilton

1

2 1

Và bất kỳ mật độ tổng có thể được biểu diễn bởi

2

)()

(x M k x

k

kψλ

trong đó 0<λk <1, ∑M k λk = N với bất kỳ số nguyên M>N.Nếu M=N mật độ gắn kết

với một định thức bậc NxN

1.1.1.6 Mẫu Thomas-Fermi-Dirac

Trong một hệ N electron với Hamilton được xác định bởi (1.14), năng lượngtrạng thái 0 E, hàm sóng Ψ và mật độ electron ρ(r), chúng ta đã trình bày ở trênrằng ρ(r) xác định v(r), N và năng lượng E[ρ]; ρ(r) là lời giải của nguyên lý ổn định

(1.23) trong đó xuất hiện nhân tử Lagrange là hoá thế µ và cưỡng bức (1.10) E[ρ]là phiếm hàm (1.17) có thể viết lại thành

)(

14

1

r r r

r d d r

là hàm năng lượng trao đổi HF

Sau khi biến đổi phương trình trên, chúng ta thu được công thức động năngThomas-Fermi (1.7) và năng lượng trao đổi

x

(1.31) chính là công thức năng lượng trao đổi Dirac

1.1.3 Phương pháp Kohn-Sham [8]

Kohn và Sham giả định đưa các obitan vào bài toán theo cách mà động năng

có thể được tính đơn giản, chính xác với một phần hiệu chỉnh nhỏ sẽ được sử lý bổ

i i

N i i

trong đó ψi và ωi lần lượt là obitan spin tự nhiên (natural) và tỷ lệ lấp đầy của nó.

Nguyên lý Pauli đòi hỏi rằng 0 ≤ ni ≤1 và lý thuyết Hohenberg-Kohn đảm bảo rằng

T là một phiếm hàm của mật độ electron tổng

2

) , ( )

( =∑ ∑

s i N

N i s

s i N

) ( )

2

1 (

i N i s i

N i

=

trong đó ψi là trạng thái thấp nhất của Hamilton-một-electron hˆ sđược xác định bởi:

i i i s i

N i

i s

s

2

1)

và mật độ được phân tích như là trong (1.35)

Ý tưởng cơ bản của Kohn và Sham là có thể thay bài toán - nhiều - electronbằng một tập tương đương chính xác các phương trình tự hợp - một - electron.Phiếm hàm năng lượng tổng có thể được viết dưới dạng tổng của một số số hạng:

'

)'()(2

1)()()

r r

r r r

r r

−+

trong đó T[ρ(r)] là động năng của hệ các electron không tương tác có mật độ ρ(r)

và EXC[ρ(r)] là năng lượng trao đổi và tương quan của hệ tương tác.

Tương ứng với lý thuyết HK, tổng năng lượng xác định bởi (1.40) phải ổnđịnh đối với biến thiên trong mật độ điện tích trạng thái 0, nghĩa là phải thoả mãnđiều kiện:

'

)'()()

(

)(){

−+

r r

r r

r

r

r T v ion ρ d µXCδρ

ρδ

trong đó µXC (r) là đạo phiếm hàm của năng lượng trao đổi-tương quan theo mật độđiện tích electron Cũng có một yêu cầu là biến thiên mật độ điện tích phải đảm bảo

∫

∫δρ(r d) r =0 (1.43)áp dụng điều kiện (1.43) vào (1.42) ta được:

T E

XC

−++

'

)'()()

(

)()

(

)(

r r

r r

r r

r

r r

r

µ

ρδρ

ρ

δδρ

δ

(1.44)

là một hằng số ν là nhân tử Lagrange đi liền với cưỡng bức số hạt không đổi (1.10).

So sánh phương trình này với phương trình tương ứng đối với hệ có tương tác hiệudụng veff(r) nhưng không có tương tác electron – electron ta rút ra:

δρ

ρ

δδρ

)(

)()

(

)(

r r

r r

r

eff

v T

Có thể thấy rằng các biểu thức toán học là tương đương nếu

−+

'

)'()()

r r

r r

(2

2

* 1

2

ψψ



(1.47)

Lời giải có thể tìm được bằng cách giải phương trình Schrodinger cho cáchạt không tương tác chuyển động dưới ảnh hưởng của một thế hiệu dụng veff(r).Tổng hợp lại, các phương trình obitan Kohn-Sham dưới dạng chính tắc là:

i i i eff

) ' ( ) ( )

r - r

r r

[ ]

)()

r r r r

i N

2

1

1 ,

ij N

j i ij N

i i ee

N

i i

trong đó Jij và Kij lần lượt là tích phân Coulomb và tích phân trao đổi

So sánh phương trình Kohn-Sham (KS) với Hartree, HF cho thấy:

1 KS có dạng của phương trình Hartree nhưng có chứa một hàm thế hiệu dụngcục bộ (local) tổng quát veff(r)

2 Cả 3 phương trình đều dùng phuơng trình 1 electron để mô tả hệ nhiềuelectron

3 KS về nguyên tắc khác với HF ở chỗ bao hàm đầy đủ hiệu ứng trao đổi tương quan của electron, trong khi HF từ bản chất các giả thiết ban đầu không thể

-4 KS mở đối với các nghiên cứu về EXC và sẽ cho ρ và E chính xác nếu có EXC

chính xác Đồng thời dạng của EXC cũng có khả năng liên tục được hoàn thiện

5 Vì hàm thế veff(r) không chứa spin electron nên lời giải của phương trình(1.49) sẽ suy biến kép, tức là với mỗi giá trị εi sẽ có hai lời giải độc lập có cùngphần không gian (spatial) Chúng có thể được chọn là ψ i(r)α(s) và ψ i(r)β(s) Vớitrường hợp có số electron chẵn, số electron có spin α bằng số electron có spin β vànhư vậy

2

)(2)(2)(2)

i

i r r

r

(1.55)và với trường hợp số electron lẻ,

)()()(r ρα r ρβ r

ở đây ρα(r) chỉ khác ρβ(r) 1 obitan dư Cách mô tả này hoàn toàn trùng với HF,nhưng KS khác HF về bản chất quá trình dẫn tới các phương trình (1.55) và (1.56)

1.1.4 Mật độ cục bộ và các gần đúng của E XC [8]

Để làm rõ phương trình KS, chúng ta cần biết được dạng tường minh của

EXC Tuy vậy, đây là một công việc thực sự khó khăn và là điểm mấu chốt của lýthuyết phiếm hàm mật độ hiện đại Sau đây là một số phương pháp gần đúng

)( 5 / 3 = 2 2 / 3 =

3 /

đối với năng lượng trao đổi Vì động năng Ts[ρ] đã được xử lý chính xác trong sơ

đồ KS, nên ta có thể dùng công thức UEG riêng cho phần chưa biết của phần còn lạicủa phiếm hàm năng lượng Chúng ta đưa vào một gần đúng cục bộ (LDA) đối vớinăng lượng tương quan trao đổi:

εδρ

)())(()

()

XC

LDA XC LDA

LDA XC

v d

∇

'

)'()(

r r

Tìm một cách xác định tường minh EXC là nội dung chính của lý thuyết hàmmật độ hiện nay Để khắc phục những khiếm khuyết của LDA đã có nhiều cách tiếpcận khác nhau

Trước hết, người ta tách εXC thành εX và εC tức là:

)()()(ρ ε ρ ε ρ

phần trao đổi đã biết dựa trên phiếm hàm năng lượng trao đổi Dirac

33

và E LDA K D[ ] r d r

X

3 / 4 3

/

1 ( ))

3(4

))(

3( ρ r

π

−

=

LDA X

GGA

X

k s s

F d

E

2

)()

()()

3(4

Theo phương pháp phân tích vectơ sóng (wave-vector analysis) năng lượng

XC được phân tích thành các cấu tử có bước sóng khác nhau (Langreth và Perdew1977)

)2( k3 XC k

k k

r r

e r

2 3 12

2 1

4)2(

Hàm meta –GGA [18]

Những hàm GGA phụ thuộc nhiều vào thông tin bán khu vực trong mật độ spin vàmật độ động năng khu vực trong toán tử Laplace, được gọi là hàm meta –GGA.Dạng hàm trên như sau:

1.1.5 Phương pháp cấu trúc electron (electronic structure) [2]

Phương pháp cấu trúc electron sử dụng các định luật cơ học lượng tử thaycho vật lý cổ điển làm cơ sở tính toán Năng lượng và các tính chất liên quan có thểthu được bằng cách giải phương trình Schrödinger :

Tuy nhiên, ngoại trừ những hệ nhỏ, việc giải phương trình Schrưdinger đểthu nghiệm chính xác là rất phức tạp, không thực tế Các phương pháp cấu trúcelectron được đặc trưng bằng phương thức tính toán gần đúng của chúng Có haiphương thức chủ yếu là phương pháp bán kinh nghiệm và phương pháp Ab –initio

1.1.5.1 Phương pháp bán thực nghiệm

Các phương pháp bán kinh nghiệm có ưu điểm là giảm bớt thời gian tínhtoán có thể áp dụng tính cho các phân tử lớn Tuy kết quả thu được từ các phươngpháp này không chính xác bằng phương pháp Ab-initio nhưng kết quả đó nằm tronggiới hạn cho phép để xét đoán các quá trình hóa học Trong các phương pháp này,các tham số thực nghiệm thay thế việc tính toán các tích phân phức tạp đơn thuần lýthuyết Dựa vào việc loại bỏ các tích phân ta có các phương pháp bán kinh nghiệmkhác nhau như AM1, ZINDO/1, ZINDO/s, MINDO/3, PM3 Các phương pháp nàythực hiện tương đối nhanh, cung cấp những kết quả định lượng có thể chấp nhận

được và những dự đoán định lượng khá chính xác về năng lượng và cấu trúc cho hệtrong điều kiện là các thông số phù hợp tốt với hệ khảo sát

Phương pháp PM3 (Parametric Model 3)

Phương pháp PM3 tham số hoá lại cho phương pháp AM1 (Austin Model 1),trong đó cơ bản là dựa trên việc bỏ qua sự xen phủ vi phân giữa hai nguyên tử(NDDO) NDDO (Neglect of Diatomic Differential Overlap) giữ lại tất cả các sốhạng xen phủ vi phân một tâm khi tính toán các tích phân coulomb và tích phân traođổi PM3 chỉ khác AM1 về giá trị của các tham số Các tham số cho PM3 rút ra từviệc so sánh các tính chất của phân tử tính toán được so với thực nghiệm TrongPM3 các tương tác không liên kết, tương tác đẩy ít hơn là trong AM1 PM3 được sửdụng để tính toán các phân tử hữu cơ, ngoài ra nó cũng được tham số để tính toáncho nhiều nguyên tố thuộc phân nhóm chính và một vài kim loại chuyển tiếp

1.1.5.2 Phương thức tính toán lượng tử ab initio

Không giống như phương pháp cơ học phân tử hay phương thức bán thựcnghiệm, phương thức lượng tử ab initio không sử dụng các thông số thực nghiệm,thay vào đó, các tính toán này dựa chủ yếu vào các định luật cơ học lượng tử và một

số hằng số vật lý như vận tốc ánh sáng; khối lượng, điện tích của electron và hạtnhân; hằng số Planck Phương thức lượng tử ab initio sẽ được sử dụng chủ yếu đểtính toán trong tài liệu này trên cơ sở bộ phần mềm Gaussian

Phương thức lượng tử ab initio tính toán nghiệm của phương trìnhSchrödinger bằng cách sử dụng một số phép gần đúng như phép gần đúng Born-Oppenheimer và gần đúng obitan phân tử

1.1.6 Gần đúng obitan phân tử [2]

1.1.6.1 Thuyết obitan phân tử

Thuyết trên phân tích hàm sóng toàn phần trong phương trình (1.1) thành sựkết hợp tuyến tính của các hàm sóng đơn electron φ1, φ2, φn với giả thiết rằng cácelectron chuyển động hoàn toàn độc lập nhau Hàm sóng tổng có dạng:

Ψ = φ1(1) φ2(2) φn(n) (1.72)Tích trong (1.72) là tích Hartree-Fock, trong đó φi đuợc gọi là các obitan.Nhưng vì các electron là các fermion, nghĩa là có spin bằng ½, nên với hệ nelectron, hàm sóng toàn phần (1.72) được viết thành:

Ψ = χ1(1) χ2(2) χn(n) (1.73)Trong đó χi là các obitan spin với χi(i) = φi(i)η(ξ), với η(ξ) là hàm sóng spin

α(ξ) hoặc β(ξ) tuỳ thuộc vào số lượng tử spin ms bằng ½ hay -½

Trên cở sở hai phép gần đúng nói trên, phương trình Schrödinger được giải thôngqua việc giải phương trình Roothaan (ứng với cấu hình bị hạn chế vỏ đóng) vàphương trình Pople - Nesbet (ứng với cấu hình không hạn chế) theo quy trình giảilập trường tự hợp Hartree-Fock HF - SCF (Hartree-Fock Self-Consitent-Field)

1.1.6.2 Hệ hàm cơ sở

Hệ hàm cơ sở là sự biểu diễn toán học của các obitan phân tử trong một phân

tử Một hệ hàm cơ sở có thể được xem như là sự giới hạn từng electron vào mộtvùng không gian riêng biệt Hệ hàm cơ sở càng lớn thì các electron càng ít bị giớihạn về vị trí không gian và do đó, các obitan phân tử được mô tả càng chính xác

Các hệ hàm cơ sở sử dụng cho phương pháp tính toán cấu trúc electron dựatrên sự kết hợp tuyến tính của các hàm Gaussian để xây dựng các obitan phân tử.Bộ phần mềm Gaussian chứa nhiều hệ hàm cơ sở, mà nó có thể được phân loại theo

số và loại của hàm cơ sở (basis function) chứa trong chúng Các hệ hàm cơ sở ấn

định một nhóm các hàm cơ sở cho mỗi nguyên tử trong một phân tử để mô tả cácobitan của nó Các hàm cơ sở này được tạo nên từ sự kế hợp tuyến tính của các hàmGaussian Một obitan phân tử riêng lẻ được định nghĩa như sau:

Biểu thức (1.74) được gọi là biểu thức tổ hợp tuyến tính các obitan nguyên

triển obitan phân tử Các hàm cơ sở χ1 χN là các hàm đã được chuẩn hĩa

Các hàm Gaussian cĩ dạng tởng quát như sau :

2

r α l m

ny zecx

=),α(

giankhôngtoàn

r 4

/ 1 3

7 xy

r 4 / 1 3

5 y

r 4 / 3 s

xye

2048)

,(g

ye

108)

,(g

e

2),(g

α

=α







π

α

=α

α

=α

(1.77)

Sự kết hợp tuyến tính các hàm Gaussian ban đầu như trong (1.77) được sử

dụng để xây dựng các hàm cơ sở thực sự và thường được gọi là hàm Gaussian rút

gọn, có dạng :

p p

pgd

Hệ hàm cơ sở tối thiểu: STO-2G, STO-3G, STO-6G,

Hệ hàm cơ sở tối thiểu chứa một số tối thiểu các hàm cơ sở cần thiết cho mỗinguyên tử Như trong ví dụ dưới đây obitan của hydro và carbon được biểu diễnnhư sau:

H : 1s

C : 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz (Cấu hình electron của carbon là 1s2 2s2 2p2) ↑↓↑↓ ↑ ↓

Tên chung của hệ hàm cơ sở tối thiểu là STO-nG (trong đó n là số

nguyên>1) là số hàm Gaussian ban đầu trong một hàm cơ sở đơn Hệ hàm này sửdụng các obitan kiểu nguyên tử có kích thước cố định Ví dụ, hệ hàm cơ sở STO-2Glà một hệ hàm cơ sở tối thiểu, sử dụng 2 hàm Gaussian ban đầu cho một hàm cơ sở.Điều này giải thích số hạng "2G" trong tên của nó "STO" là viết tắt của "Slater

-type orbitals", nghĩa là hệ hàm cơ sở STO-3G xây dựng các orbital Slater với cáchàm Gaussian.

Hệ hàm cơ sở hoá trị chia tách (split-valence): 3-21G, 6-31G, 6-311G

Cách đầu tiên để làm tăng độ lớn của một hệ hàm cơ sở là tăng số hàm cơ sởcho một nguyên tử Hệ hàm cơ sở hóa trị tách đôi, chẳng hạn như 3-21G, 6-31G cóhai loại hàm cơ sở có kích thước khác nhau cho mỗi obitan hóa trị Ví dụ, hydro vàcarbon được biểu diễn như sau :

H : 1s, 1s’

C : 1s, 2s, 2s’, 2px, 2py, 2pz, 2px’, 2py’, 2pz’.Ký hiệu x-yzG được hiểu là: mỗi hàm cơ sở của obitan nguyên tử lõi đượcbiểu diễn bằng x hàm Gaussian ban đầu; Còn y và z chỉ ra rằng mỗi obitan nguyên

tử hóa trị bao gồm 2 hàm cơ sở, hàm cơ sơ thứ nhất là sự kế hợp tuyến tính của yhàm Gaussian ban đầu, hàm cơ sở thứ hai là sự kế hợp tuyến tính của z hàmGaussian ban đầu.Trong trường hợp này, sự hiện diện của hai con số sau dấu gạchnối ngầm hiểu là hệ hàm cơ sở này là hệ hàm cơ sở hóa trị tách đôi Hệ hàm cơ sởtách ba, tách bốn cũng được thực hiện giống như thế, ký hiệu là x-yxwG, x-yzwvG, ví dụ hệ hàm cơ sở 6-311G là hệ hàm cơ sở hóa trị tách ba

Chú ý là các obitan có dấu phẩy và các obitan không có dấu có kích thướckhác nhau

Hệ hàm cơ sở phân cực: 6-31G(d), 6-31G(d,p),

Các hệ hàm cơ sở tách hóa trị như trên cho phép thay đổi kích thước obitannhưng không thay đổi được hình dạng Hệ hàm cơ sở phân cực loại bỏ hạn chế nàybằng việc bổ sung vào các obitan số hạng momen góc Ví dụ, hệ hàm cơ sở phâncực bổ sung các hàm d vào các nguyên tử carbon và các hàm f vào các nguyên tửkim loại chuyển tiếp và đôi khi bổ sung các hàm p vào nguyên tử hydrô

Xét hệ hàm cơ sở 6-31G(d) Hệ hàm cơ sở này chính là hệ hàm cơ sở 6-31Gvới các hàm d được bổ sung vào các nguyên tử nặng Hệ hàm cơ sở này rất phổ biến

cho việc toán hầu hết đối với các hệ có kích thước trung bình Một hệ hàm cơ sởphân cực khá thông dụng nữa đó là 6-31G(d,p), nó bổ sung các hàm d vào cácnguyên tử nặng và các hàm p cho nguyên tử hydrô.

Hệ hàm cơ sở phân cực khuếch tán: 6-31+G(d), 6-31++G(d,p),

Các hàm cơ sở khuếch tán các hàm loại s và loại p có kích thước lớn Cácobitan này chiếm một vùng không gian lớn hơn Các hệ hàm cơ sở dùng các hàmkhuếch tán đóng vai trò rất quan trọng để tính toán cho các hệ có các electron nằm ởtương đối xa hạt nhân: các phân tử có cặp electron không liên kết, các anion và các

hệ khác có điện tích âm, hệ ở trạng thái kích thích, hệ có thế oxy hóa thấp,

Hệ hàm cơ sở có ký hiệu 6-31+G(d) là hệ hàm cơ sở 6-31G(d) với các hàmkhuếch tán được bổ sung vào các nguyên tử nặng Hệ hàm cơ sở có ký hiệu 6-31++G(d) được bổ sung thêm các hàm khuếch tán cho hàm mô tả nguyên tử hidro.Trong thực tế, việc bổ sung hàm khuếch tán vào nguyên tử hidro làm tăng rất ít độchính xác của các phép tính toán

1 2 CƠ SỞ VỀ HIV

1.2.1 Giới thiệu chung về HIV [5], [13]

Hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải được gọi tắt là AIDS (Acquired

Immunodeficiency Syndrome), do virus HIV (human immunodeficiency virus) gây

ra Sự suy giảm miễn dịch ở người được phát hiện ở Mỹ năm 1981, lây lan rấtnhanh và đến nay đã trở thành "căn bệnh thế kỷ" trên toàn thế giới

HIV là các Retrovirus có mã hóa di truyền thuộc họ Retroviridae với hai loại

chính là HIV loại 1 (HIV-1) và HIV loại 2 (HIV-2), trong đó HIV-1 gây ra 98% sựlây lan còn HIV-2 chỉ phổ biến ở vùng Tây châu Phi, ít lây lan ra thế giới Vì vậy,HIV-1 được xem như là nguyên nhân chính gây nên AIDS

HIV-1 được chia thành 3 nhóm là M (main), O (outlier), nhóm N (new) trong

đó hơn 90% sự lây nhiễm của HIV thuộc nhóm M Trong nhóm M gồm các phânnhóm A, B, C, D, F, G, H, J, K và nhiều dạng tái tổ hợp khác (circulatingrecombinant form-CRF) Các phân nhóm khác nhau chủ yếu ở cấu trúc của cácprotein vỏ và đặc trưng cho sự truyền nhiễm theo khu vực địa lý Đây là một đặcđiểm đáng lưu ý trong các nghiên cứu để tìm ra thuốc điều trị cho các bệnh nhânHIV/AIDS theo từng khu vực

Virus HIV -1 có đường kính khoảng 100 nm và được bao quanh bởi mànglipoprotein Mỗi hạt virus chứa 72 phức hợp glycoprotein được gắn vào màng lipidnày, và mỗi phức hợp là một trimer gồm một glycoprotein ngoại bào gp120 và mộtprotein xuyên màng gp41 Liên kết giữa gp120 và gp41 lỏng lẻo và do đó gp120 cóthể được phân tán tự do ra xung quanh Glycoprotein gp120 có thể được phát hiệntrong huyết thanh cũng như mô bạch huyết của bệnh nhân HIV Trong quá trìnhsinh trưởng, virus có thể gắn thêm các protein của vật chủ từ màng của tế bào vậtchủ vào lớp lipoprotein của virus, ví dụ các protein HLA lớp I và II, hoặc cácprotein kết dính như ICAM-1 giúp virus gắn vào tế bào đích Protein p17 được gắnvào mặt trong của màng lipoprotein Kháng nguyên lõi p24 chứa 2 bản sao củaHIV-1 RNA HIV-1 RNA là một phần của phức hợp protein-nucleic acid, gồmnucleoprotein p7 và men sao chép ngược p66 (RT)

Hình 1.1: Cấu trúc virus HIV.

HIV lây nhiễm tế bào T mang gen CD4 trên bề mặt của chúng Sự lây nhiễmcủa virus phụ thuộc vào sự hợp nhất của màng tế bào và virus, quá trình gây ra gián

dụng enzyme sao chép ngược biến đổi mã gen của virus HIV là RNA thành DNA.Sau đó enzyme integrase sẽ giúp cho DNA của virus HIV được hình thành trongDNA của tế bào bị nhiễm Khi tế bào cố gắng tạo ra protein mới thì đồng thời tạo ravirus HIV mới Mỗi lần nguyên liệu gen của virus được đặt vào trong nhân của tếbào, nó điều khiển tế bào sản xuất ra virus HIV mới Những sợi DNA đã nhiễmvirus trong nhân riêng và các enzyme đặc biệt tạo ra một loại nguyên liệu gen bổsung gọi là mRNA (tạo ra virus mới).Các mRNA chỉ định tạo ra các protein nhiễmmới từ nhân tế bào tới nơi tạo ra tế bào Mỗi mRNA tương ứng với một khối protein

có sẵn để tạo ra một phần của virus và mỗi sợi mRNA được xử lý thì có một chuỗiprotein được tạo ra Qúa trình này tiếp tục cho đến khi sợi mRNA bị biến đổi đượcđưa tới các protein bị nhiễm mới để tạo ra virus Cuối cùng là sự tổ hợp của virusmới Các chuỗi dài protein được cắt bởi một enzyme virus được gọi là proteasethành các protein nhỏ hơn Các protein này giữ các chức năng khác nhau, một số trởthành nguyên tố cấu trúc của virus mới, trong khi số khác trở thành enzyme giốngnhư enzyme sao chép ngược Mỗi khi các phần nhỏ của virus được tổ hợp lại, chúngthoát ra khỏi tế bào chủ và tạo ra virus mới Sau đó virus bước vào giai đoạn trưởngthành và trong giai đoạn này virus có thể lây nhiễm Với sự tổ hợp mới sinh và pháttriển, virus có khả năng lây nhiễm cho tế bào mới và từ một tế bào có thể sản sinh ranhiều virus mới

1.2.2 Protease của HIV-1 (gọi tắt là HIV-1 protease) [5]

HIV-1 protease là một enzyme không thể thiếu trong chu trình sống củavirus Protease cần thiết để phân cắt các tiền chất polyprotein virus gag và gag-polthành những protein cấu trúc và chức năng trong quá trình trưởng thành của virus.Các nghiên cứu cho thấy, khi ức chế hoạt tính của protease hoặc gây đột biến trêngen mã hóa cho protease, các hạt virus được hình thành nhưng không có khả năngxâm nhiễm vào tế bào vật chủ Với vai trò đặc biệt quan trọng như trên, HIV-1protease là một trong các đích nghiên cứu nhằm tìm ra loại thuốc ngăn chặn sự nhânlên của HIV

1.2.2.1 Cấu trúc của HIV -1 protease

Navia và tập thể tại phòng thí nghiệm Mecrk là nhóm đầu tiên tạo được cấutrúc tinh thể của HIV-1 protease vào năm 1989, kể từ đó cấu trúc của protease đãđược nghiên cứu rộng rãi cả về chức năng, tính đặc hiệu cơ chất cũng như sự liênkết với các chất ức chế HIV-1 protease là một dimer, chứa hai chuỗi giống hệt nhauđược sắp xếp gần như theo kiểu đối xứng, mỗi chuỗi gồm 99 axit amin và trung tâmhoạt động nằm ở giữa dimer Trung tâm hoạt động của enzyme bao gồm 6 aminoaxit Asp25 –Thr26 –Gly27 ở mỗi monomer Vai trò của các amino axit trên đượcgiả thiết như sau: liên kết hidro có cường độ mạnh của Thr26 và Thr26’ có tác dụnglàm ổn định hình dạng của trung tâm hoạt động Gly27 và Gly27’ có chức năngchứa và ràng buộc chất nền ở một vị trí Nhóm COO- của Asp25 và Asp25’ sẽ tươngtác với chất nền [11] Bên cạnh đó, Asp29 và asp30 có vai trò giữ trạng thái ổn địnhdimer và chất nền ức chế Như vậy ngoài sự tương tác qua liên kết hidro với cácamino axit ở trung tâm hoạt động, sự gắn kết giữa chất ức chế và protease đặc trưngbởi tương tác với asp29 và asp30 của protease [15] Ngoài ra, HIV -1 protease còn

có hai phần của phiến hairpin được gọi là flap có thể di chuyển một khoảng cách lênđến 7Ao khi enzyme kết hợp với chất nền

Hình 1 2: Các amino axit trong phân tử protease HIV -1

Hình 1 3: Cấu trúc không gian 3 chiều của dimer protease HIV -1.

1.2.2.2 Chức năng của HIV-1 protease

Protease là enzyme không thể thiếu có vai trò quan trọng trong quá trìnhnhân bản của HIV-1 Nó cắt phân tử polyprotein (gag, gag-pol) thành các proteincấu trúc, có chức năng cần thiết cho virus trưởng thành Cụ thể, HIV-1 proteasenhận biết 9 trình tự peptide khác nhau trên polypeptide gag để tạo ra các protein cấutrúc: matrix, capsid, nucleocapsid cùng với các protein có khối lượng phân tử bé p2,p1 và p6 có vai trò trong quá trình lắp ráp và xác định hình thái của lớp vỏ trưởngthành; thủy phân polypeptide gag-pol tạo thành 3 enzyme: protease, enzyme phiên

mã ngược và intergrase cần thiết cho quá trình sao chép của virus HIV và thủy phânpolypeptide env thành các protein vỏ gp120 và gp41 của HIV-1

Hoạt tính của HIV-1 protease bị ức chế bởi pepstatin A giống như cácprotease aspartyl khác Khi ức chế hoạt tính của protease hoặc gây đột biến trên gen

mã hóa cho protease, các hạt virus được hình thành nhưng không đóng gói phù hợp

để tạo thành thể virus trưởng thành, nên chúng không có khả năng xâm nhiễm vàotế bào vật chủ Ngoài ra, HIV-1 protease còn đóng vai trò trong quá trình phát sinhbệnh Khi chuyển vào tế bào người hoặc virus, HIV-1 protease gây độc và cắt nhiềuprotein của vật chủ như actin, Bcl2 và procaspase 8 Các nghiên cứu cũng khẳngđịnh, sử dụng các chất ức chế protease có thể ngăn chặn hiện tượng tự diệt doprotease HIV-1 gây nên

1.2.3 Các chất ức chế protease kháng virus

Chất ức chế HIV-1 protease được thiết kế thành công dựa trên cấu trúc tinhthể X –ray của HIV -1 protease kết hợp với mô hình peptit Cấu trúc tinh thể củaHIV -1 protease kết hợp với mô hình peptit không dễ bị thủy phân đã gợi ý cho việcthiết kế các chất ức chế protease sau này Việc phân tích cấu trúc tinh thể củaprotease với mô hình hexapeptit đã chỉ ra rằng sự tương tác của chất ức chế vớiprotease bao gồm 2 yếu tố quan trọng: liên kết hidro và tương tác kỵ nước Chuỗinguyên tử chính của peptit chất ức chế liên kết hidro với phần 25 -29 trong mộtchuỗi và đoạn polipeptit gồm phần 48-50 trong chuỗi còn lại, chuỗi bên của chất ứcchế nằm trong phần đối xứng của protease Cấu trúc cơ bản của chất ức chế thườngtạo liên kết hidro với asp29 và asp30 Dựa vào cấu trúc và kiến thức về tương tácgiữa peptit và protease có thể thiết kế chất ức chế kháng virus [11]

Vai trò của chất ức chế protease là chịu trách nhiệm phân cắt chuỗi

polypeptid gag và gag-pol của virus thành những chuỗi nhỏ hơn có chức nǎng cho

phép virus HIV hoàn thiện Quá trình phân cắt và hoàn thiện diễn ra trong giai đoạncuối cùng của vòng đời HIV Chất ức chế enzyme protease giải phóng ra các mảnhvirus bị nhiễu loạn về cấu trúc và không gây nhiễm Chất ức chế protease có tácdụng trên cả tế bào nhiễm HIV cấp và mạn tính [13]

1.2.3.1 Saquinavir [13],[22]

Hình 1.4: Cấu tạo phân tử Saquinavir

Saquinavir là một trong những chất đầu tiên được nghiên cứu và cấp phép sửdụng trong việc điều trị HIV Tên hệ thống của saquinavir là: (2S)-N-[(2S,3R)-4-[(3S)-3-(tert-butylcarbamoyl)-decahydroisoquinolin-2-yl]-3-hydroxy-1-phenylbutan

-2-yl] 2-(quinolin-2-ylformamido)butanediamide Saquinavir là một chất ức chế

protease với các hoạt động chống lại HIV-1 protease HIV-1 protease là một loạienzyme cần thiết cho sự phân cắt proteolytic của các tiền chất polyprotein của virusvào các protein chức năng cá nhân tìm thấy trong lây nhiễm HIV-1 Saquinavir liênkết với trung tâm hoạt động của protease và ức chế sự hoạt động của enzyme Ứcchế này ngăn cản sự phân cắt của polyproteins virus dẫn đến sự hình thành các viruskhông sinh trưởng được nữa Saquinavir ức chế cả HIV-1 và HIV-2 protease

Saquinavir đã được chế thành sản phẩm thương mại: một loại viên nang gelcứng, có tên thương mại Invirase, kết hợp với ritonavir để tăng khả năng sinh họccủa saquinavir; một loại sản phẩm dạng viên nang mềm gel saquinavir, với tênthương mại Fortovase Cả hai loại sản phẩm thường được sử dụng trong liệu phápkháng retrovirus hoạt tính cao (HAART: highly active antiretroviral therapy)

1.2.3.2 Ritonavir [13], [22]

Hình 1.5: Cấu tạo phân tử của Ritonavir.

Tên hệ thống của ritonavir là: 1,3-thiazol-5-ylmethyl hydroxy-5-[(2S)-3-methyl-2-{[methyl({[2-(propan-2-yl)-1,3-thiazolyl]methyl})carbamoyl] amino} butanamido] -1,6-diphenylhexan-2-yl]carbamate Ritonavirđược sản xuất bởi Abbott với tên thương mại là Norvir Ritonavir không hoạt độngtheo cơ chế kháng virus mà tác dụng của ritonavir là ức chế enzyme chính và làmcác chất ức chế khác chuyển hóa tốt hơn Vì tác dụng của ritonavir như vậy nênritonavir được dùng với liều thấp và nâng cao hiệu quả lâm sàng đối với các thuốc

N-[(2S,3S,5S)-3-ức chế protease HIV khác Ban đầu ritonavir được nghiên cứu để làm chất N-[(2S,3S,5S)-3-ức chếprotease HIV Đây là một trong những chất ức chế phức tạp nhất Ritonavir hiếmkhi được sử dụng riêng cho hoạt động kháng virus mà thường sử dụng rộng rãinhằm tăng cường khả năng hoạt động của các chất ức chế khác Cụ thể hơn,ritonavir được sử dụng để ức chế một enzyme gan thường chuyển hóa các chất ứcchế protease, cytochrome P450 3A4 (CYP3A4) Khám phá này đã góp phần làmgiảm đáng kể các tác dụng phụ và cải thiện hiệu quả của chất ức chế và HAART,lần đầu tiên được công bố trong một bài báo trên Tạp chí AIDS vào năm 1997 bởiĐại học Liverpool Tuy nhiên việc sử dụng ritonavir cùng các chất ức chế kháccũng có những nhược điểm: nó ảnh hưởng đến hiệu quả của các loại thuốc khác rất

1.2.3.3 Indinavir [13], [22]

Hình 1.6: Cấu tạo phân tử Indinavir

Tên hệ thống của Indinavir là: hydroxy-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl]carbamoyl}butyl]-N-tert-butyl-4-(pyridin-3-ylmethyl)piperazine-2-carboxamide Indinavir được sản xuất dưới tên thương mại làCrixivan Indinavir là một chất ức chế protease được sử dụng trong liệu pháp khángretrovirus hoạt tính cao (HAART) để điều trị nhiễm HIV và AIDS

(2S)-1-[(2S,4R)-4-benzyl-2-hydroxy-4-{[(1S,2R)-2-Hiện nay, indinavir dần dần được thay thế bằng loại thuốc mới để sử dụngthuận tiện hơn và ít có khả năng bị virus kháng thuốc, chẳng hạn như lopinavir hoặcatazanavir

Indinavir thường mất tác dụng một cách nhanh chóng sau khi dùng thuốc và

do đó đòi hỏi bổ sung liều lượng rất chính xác sau tám tiếng để ngăn chặn HIV hìnhthành đột biến kháng thuốc gây trở ngại với các thuốc ức chế protease khác

1.2.3.4 Nelfinavir [13], [22]

Hình 1.7: Cấu tạo phân tử của nelfinavir

Tên hệ thống của nelfinavir là: hydroxy-3-[(3-hydroxy-2-methylphenyl)formamido]-4-(phenylsulfanyl)butyl]-decahydroisoquinoline -3-carboxamide Nelfinavir có tên thương mại là Viracept làmột trong các loại thuốc được gọi là thuốc ức chế protease và giống như các thuốcchế protease khác thường được sử dụng kết hợp với các thuốc kháng retrovirus.Nelfinavir được phát triển bởi Dược phẩm Agouron liên doanh với Japan Tobacco.Cục Quản lý dược và thực phẩm Mỹ (FDA: Food and Drug Administration) chấpthuận cho sử dụng điều trị vào ngày 14 tháng ba năm 1997 Nelfinavir nên được sửdụng cùng với thức ăn Hoạt tính của Nelfinavir tăng 2,5 đến 5 lần khi dùng vớithức ăn Nelfinavir là một chất ức chế HIV-1 protease và HIV-2 protease.Nelfinavir có tác dụng tương tự như nhưng chất ức chế protease khác, ngoài ranelfinavir còn có ưu điểm là làm giảm sự đề kháng chéo

(3S,4aS,8aS)-N-tert-butyl-2-[(2R,3R)-2-1.2.3.5 Amprenavir [13], [22]

Tên hệ thống của Amprenavir là: (3S)-oxolan-3-yl [N-(2-methylpropyl)(4-aminobenzene)sulfonamido]-1-phenylbutan-2-yl]carbamate.Amprenavir là một chất ức chế protease đã được sử dụng để điều trị HIV từ năm

N-[(2S,3R)-3-hydroxy-4-1999 Ưu điểm của thuốc đó là sử dụng hai lần một ngày thay vì cần uống sau tám

các thuốc khác do Amprenavir tương tác tốt với HIV -1 protease đồng thời cũngtương tác tốt với các chất khác Amprenavir thường sử dụng kết hợp với liều thấpRitonavir Mặc dù Amprenavir sử dụng khá hiệu quả trong việc điều trị AIDSnhưng Amprenavir ngưng sản xuất vào ngày 31 Tháng 12 năm 2004, thay vào đó làphiên bản thuốc mới được sử dụng nhiều hơn: Fosamprenavir Fosamprenavirchuyển hóa thành Amprenavir trong cơ thể người nên chất ức chế này giữ nguyênnhững tác dụng của Amprenavir Tuy nhiên liều dùng và khả năng dung nạp củaFosamprenavir với cơ thể người thấp hơn Amprenavir nên Fosamprenavir được sửdụng phổ biến

Hình 1.8: Cấu tạo phân tử Amprenavir

1.2.3.6 Lopinavir [13], [22]

Tên hệ thống Lopinavir là: (2S)-N-[(2S,4S,5S)-5-[2-(2,6-dimethylphenoxy)acetamido]-4-hydroxy-1,6-diphenylhexan-2-yl]-3-methyl-2-(2-oxo-1,3-diazinan-1-yl) butanamide Lopinavir (ABT -378) là một trong những thuốc kháng virus thuộcthế hệ chất ức chế protease Lopinavir thường được sử dụng kết hợp với ritonavir và

có tên thương mại là Kaletra (ở các nước có thu nhập cao) và Aluvia (ở các nước cóthu nhập thấp)

Hình 1.9: Cấu tạo phân tử Lopinavir

1.2.3.7 Atazanavir [13], [22]

Tên hệ thống của Atazanavir là: methyl [(2S)-2-[(methoxycarbonyl)amino]-3,3-dimethyl-N'-{[4-(pyridin-2-yl)phenyl]methyl} butanehydrazido]-1-phenylbutan-2-yl]carbamoyl}-2,2-dimethylpropyl]carbamate Atazanavir thương mại hóa với tên là Reyataz từ năm 2003 Giống nhưcác thuốc kháng virus khác, Atazanavir là chất ức chế protease được dùng để điềutrị bệnh HIV Atazanavir có ưu thế hơn các chất ức chế protease khác ở chỗ nó cóthể được dùng một lần mỗi ngày (không đòi hỏi nhiều liều mỗi ngày) và có tác dụng

N-[(1S)-1-{[(2S,3S)-3-hydroxy-4-ít hơn đến lượng lipid của bệnh nhân (lượng cholesterol và các chất béo trong máu).Giống như các chất ức chế protease khác, nó thường được sử dụng kết hợp với cácthuốc HIV khác

Hình 1.10: Cấu tạo phân tử của Atazanavir

Atazanavir ít có khả năng kháng chéo với các chất ức chế protease khác Khikết hợp điều trị với ritonavir thì hiệu quả tương đương như sử dụng với lopinavirnhằm mục đích điều trị cho những bệnh nhân đã kháng thuốc Mặc dù khi sử dụngliều lượng ritonavir tăng sẽ làm giảm lợi thế trao đổi chất của atazanavir

1.2.3.8 Tipranavir [13], [22]

Hình 1.11: Cấu tạo phân tử của Tipranavir

Tên hệ thống của tipranavir là: phenylethyl)-2-propyl-3,4-dihydro-2H-pyran-5-yl]propyl]phenyl}-5-

N-{3-[(1R)-1-[(2R)-6-hydroxy-4-oxo-2-(2-(trifluoromethyl) pyridine-2-sulfonamide Tipranavir là một chất ức chế protease có