Kết luận và biện luận hệ định lượng giữa độc tính và cấu trúc Benzen
Trang 1Luận văn cao học
CHUONG 7 KET QUA VA BAN LUAN
PHAN LOẠI HOẠT TÍNH GÂY ĐỘC CỦA CÁC DẪN XUẤT BENZEN ỦI ÚI
Việc khảo sát QSAR các đẫn xuất của các nhóm hoá chất hữu cơ mà đa số dan xuất từ benzen đã được tiến hành rất nhiều Sự giống nhau về cấu trúc trong cùng một nhóm hoá chất được phân chia vào các nhóm có phương thức tác động (mode of action -MOA) khac nhau Cae nhém này được xếp loại dựa trên hoạt tính
thông thường của chúng, Để bất đầu phân loại cẩn phải tiến hành khÃo sát tương
quan đơn biến giữa hoạt tính sinh học (có thể xác định sơ bộ hoại tính gây độc sinh học là dơ cơ chế gây mê hay hay cơ chế hoá học) với thông số ky nước như là log Kow (là logarit của hằng số phân bổ hợp chất này trong dung địch nước với I- octanol) Can cứ trên các phương trình hồi qui thu được có thể kết luận như sau:
- Một số hợp chất qua khảo sát cho thấy có tác động như một chất gây mê (một trạng thái nhiễm độc nhẹ cấp tính - general anesthesia) Hiệu lực gây mê của các hợp chất có độc tính được mô hình hoá nhờ vào khảo sát QSAR cơ bản, nghĩa là khảo sát hồi qui tuyến tính đơn biến giữa hoại tính (hay độc tính) với log Kow Các thông số thống kê mô hình sẽ cho thấy sự tương quan có chặt chẽ hay không giữa hai đại lượng này Kết quả này sẽ cho phép kết luận các hợp chất này có phải là hợp
chất gây mê cơ bản hay không Nếu thống kê cho kết quả QŸ > 0,85 có thể cho
phép kết luận nhóm hợp chất này thuộc nhóm hợp chất gây mê không phân cực (base line toxicity hay nonpolar narcosis) Nếu kết quả cho QỶ < 0,85 phải tiến hành kháo sát đa biến Khi đó có thể kết luận là các hợp chất có độc tính được phân chia theo 2 đạng, một là đo gây mề và một là do hoại tính hoá học
- Việc dự báo các hoạt tính gây độc cấp tính cho cá trong nước của các hợp chất benzen đang rất được chú ý trong 20 năm gần đây Số lượng các họ hợp chất được khảo sát ngày càng tăng Ảnh hưởng của nẵng độ của các hợp chất trở này nhìn chung được dự báo một cách khá chính xác bởi hoạt tính gây mê hay còn gọi QSAR độc tính cơ bản Dĩ nhiên nhiều hợp chất có hoạt tính mạnh, các QSAR cơ
Trang 50
Trang 2Luda van cao hee
- Gan day, khi khdo sAt cdc ester cla acid acrylic vA methacrylic là các hợp chất gây ngộ độc cho cá cho thấy nó phụ thuộc vào tính gây mê không liên quan nhiều đến hoạt tính hoá học của chúng Việc mô hình hoá bằng cách phân chia theo
hai cơ chế, gây mê cơ bản và tác động hoá tính dựa theo các MOA khác nhau Bởi
vì hoại tính gầy mê (narcosis) là một kiểu tác động thông thường trong độc học các chất thải nước, cho nên người ta cho rằng các hợp chất có tương tác gây mẽ cũng có
thể có trong nhiều họ hợp chất khác nhau Mục tiêu tác kích của các hợp chất gây
mê chính là màng tẾ bào và hiệu lực tương tác gây mê của hợp chất trực tiếp liên quan tới hằng số phân bố Kow Nếu đa số các hợp chất trong tập hợp dữ liệu có
tương tác chủ yến là gây mê, thì nó làm mô hình tương quan hồn hợp sẽ có tính
tổng quát cao Còn trong trường sự tưởng quan còn có ảnh hưởng bới tính chất hoá học thì người ta để nghị chia các tập hợp đữ liệu vào hai tập hợp con dựa trên tỉ lệ
Te được định nghĩa là sự khác nhau của đại lượng hoạt tính sinh học ghi nhận bằng thực nghiệm và dự đoán qua mô hình QSAR gây mê cơ bắn (Ecess toxicity ratio -
Trang 5Ï
Trang 3Luin van cao học
Te) dude dinh nghĩa bởi Lipnick (24) Nếu Te < 5 thì hoạt tính sinh học chỉ phụ thuộc vào hoạt tính gay mê (độc tính cơ bản), Hình 1 so sánh giữa hay kiểu được
dùng để mô tà sự gây độc cấp tính cho cá của các hợp chất hữu cơ
Mixed QSAR (QSAR hén hợp) Separrate OSAR(QSAR riéng 1é)
}
LogL Cáo = a *logKow + C] |
KHAO SAT QSAR CAC HOP CHAT BENZEN
Việc khảo sát QSAR các hợp chất benzen được tiến hành cho nhiều bộ
đữ liệu khác nhau Bộ đữ liệu chính là 77 hợp chất dẫn xuất benzen (77DXB)
có hoạt tính sinh học Cmiz đã được khảo sat va trích từ tài liệu [7] Các tác giả
trong tài liệu [7] đã khảo sát QSAR 77DXB bằng phương pháp hổi qui tuyến tính đơn biến (Cmiz-logKow) và sau đó đã có một số kết luận về việc phân loại 77DXB theo cơ chế gây độc của chúng Trong luận van nay sẽ tiến hành
dùng các phương pháp thống kê khác nhau để khảo sát QSAR 77 DXB và đưa các mô hình chất lượng cao vào việc dự báo các hoạt tính gây độc của các hợp chất tương đương Sau đó khảo sát QSAR thêm một số bộ dữ liệu mới cũng
Trang 32
Trang 4Luan van cao hoe
hành cũng bao gồm các dẫn xuất của benzen nhưng với các hoạt tính sinh học
khác để xác định phương pháp luận của luận văn là dung dan
7.1, Khảo sat OSAR 77 DXB
Việc khảo sát bộ dữ liệu 77 hợp chất dẫn xuất benzen (77DXB) sẽ được tiến hành theo các bước sau :
® Bước 1: Phân loại 77 DXB thành các tập hợp con có cấu trúc giống nhau
® Bước 2: Tạo bảng dữ liệu cho 77 DXB
® Bước 3: Khảo sát hồi qui tuyến tính đơn biến chung 77DXB và các tập hợp con của nhóm
s Bước 4: Hồi qui tuyến tính đa biến các nhóm trong 77DXB
» Bước 5: Khảo sát QSAR bằng phương pháp hổi qui tuyến tính các nhóm ghép được tập hợp từ các nhóm nhỗ ở trên trong bộ đữ liệu 77DXB
¢ Bước 6: Khảo sát 77DXB bằng phương pháp mang noron
7.1.1 Bude 1 PHAN LOAI 77 DXB!”! (xem Bang 1)
C6 thé phan loại 77 DXB thành các tập hợp con có cấu trúc giống nhauÙl
bao gồm 4 nhóm sau :
A, Nhóm |: gồm 19 hợp chất akylbenzen mang các nhóm thé halogen có số thứ tự từ l- 9 trong Bang 1 , Goi 1A nhóm gây mê không phân cực (nonpolar narcosis hay baseline toxicity)
B Nhém 2 Bao gdm 33 hợp chất có các nhóm thé OH (phenol), NH,
(anilin), va cdc benzonitril cùng với các benzaldehyd mang số thứ tự từ 36 ~ Ó§ trong Báng Ï: gọi là nhóm gây mê phân cực (polar narcosis),
D Nhóm 3 là Gồm l6 các nirobenzen mang số 20 đến 35 trong Báng |
Ghi chú : cdc hop chat 2* trong Bang | là các hợp chất WARU (Weak Acid
Respiratory Ủncouplers) đây là các hợp chất aicd yếu kịch độc có khả năng gây ngừng hô hấp
Trang 53
Trang 5Luận văn cao học
Các hợp chất benzen có cấu trúc như trong Hình LA
Trang 6Luan van cao hoc
Bang | 77 hgp chất dẫn xuất benzen (77DXB)
30 | 3-nitrotoluen 1,52 |3 69 | Acid 4-clorobenzoic 1,85 | 4
31 | 2-nitrobenzen 1,29 | 3 70 | Acid 3-bromobenzoic | 1,94 | 4
32 | 3-cloro-4-flouronitrobenzen | 1,56 | 3 TI | Acid 4-flourobenzoic | 1,37 | 4
33 | 1,4-dinitrobenzen 3,23 [3 72 | Acid 2-aminobenzoic | 0,79 | 4
34 | 1,2-dinitrobenzen 141 |3 73 | Acid 3-nitrobenzoic 1,52 | 4
35 | 1,3-dinitrobenzen 1,45 |3 | 74 | Acid 4-bromobenzoic | 1,95 |4 |
36 | 4-clorobenzaldehyd 1,67 |2 75 | Acid 3-clorobenzoic 1,72 | 4
37 | 2-clorobenzaldehyd 1,67 | 2 76 | Acid 4-aminobenzoic | 0,32 | 4
38 | Benzaldehyd 0,75 |2 |77 | Acid 3-aminobenzoic | 0.23 | 4
Trang 7Luan van cau nyc
7.1.2 Buée 2 Tao Bang di liéu cho 77 DXB (xem phu luc 1) bao g6m 21 tham:
s6 cau tric (xem Bang 2) va hoat tinh sinh học Cmiz của 77DXB (Cmiz là logarit
của nghịch đảo nổng độ ức chế tối thiểu 50% khả năng lên men rượu của đường Saccharomyces trong 12 giờ của các hợp chất khảo sát)
Bảng 2 2l tham số cấu trúc của 77DXB dùng làm biến độc lập
hợp dung môi octanol-nước
(Tổng cộng 6 biến)
(i= 1 6)
| Electronic Energy | Nang lượng hệ thống điện tử Ee
HOMO Energy Năng lượng vân đạo phân tử đầy cao nhất Eho
LUMO Energy Năng lượng vân đạo phân tử trống thấp nhất Elu
LogKow_ được trích ra từ SRC-WSKOW for Microsoft Windows Version
1.26 (Bản quyển của William Meylan 1994-1996)
Trang 56
Trang 8Ludn vdn cao hec
7.1.3 BƯỚC 3 : KHAO SAT HOI QUI TUYEN TINH DON BIEN
(Biến độc lập là logK - biến phụ thuộc là Cmiz)
1 NHÓM 1 gồm 19 hợp chất gây mê không phân cực là các alkyl và
halogeno benzen đơn giản
R’=0,98 Q’=6,98
Với mô hình đơn biến (1) có Q7 > 0,90 chứng tô đây là các hợp chất gây mê
cơ bản, mà tính độc của chúng chỉ phụ thuộc vào khả năng thẩm thấu vào màng tế bào (đặc trưng bởi logKow) Xem Hình 1
phenol, anilin va nhém có nối đôi tiếp cách (benzonitrH và benzaldehyd})
không thích hợp Vì vậy cần kháo sát da biến (xem phan 6.1.4)
Trang 57
Trang 9Luận văn cao học
3 CAC NITROBENZEN Các nitrobenzen thuộc nhóm 3, có cơ chế phấn
ứng thân điện tử Các dẫn xuất của Nitrobenzen thường có hoạt tính độc kịch liệt
vượt lên trên mức độc tính cơ bản (các hợp chất basline toxiccity) đối với các sinh vật trong nước và nó tiêu biểu cho hoạt tính độc thân điện tử của chúng, LH Phương
trình hổi qui đơn biến có R” và Q° rất thấp (gần bằng 0) cho thấy độc tính có sự
tương quan không rõ rằng với hoạt tính ky nước (log Kow) Vì vậy, các hợp chất nìtrobenzen cần phải được khão sát QSAR đa biến (xem Phần 6.2)
4 CAC ACID BENZOIC
Vì khả năng thẩm thấu vào màng tế bào của các acid benzoic phụ thuộc vào pKa và được đặc trưng bằng hằng số Dow Dow được xác định theo công thức :
Dow=Kow/(1 - 10810)
Các logKow trong Bắng 1 là logDow của các acid này ở pH =5.5
Khảo sát đơn biến Cmiz — logDow có phương trình hổi qui là
Rt= 0,91 Q'= 0,87 F=71,44 mse =0,047
Nếu ghép thêm biến pKa thì phương trình hỗi qui sẽ là:
R?=0,98 Q?7=0,92 Fs 125 (xem Hình 2)
tình 1 Độc tính tinh tóan và dự bá Hình 2 Độc tính tính tóan và dự báo
so với độc tính thực nghiệm các so với độc tính thực nghiệm các acid
halogeno benzen và akyl benzen benzoic
Trang 58
Trang 10Luận văn cao nec
7.1.4 Bước 4 HỒI QUI TUYẾN TÍNH ĐA BIẾN
Việc khảo sát QSAR băng hổi qui tuyến tính đa biến với Cmiz là biến phụ thuộc và 21 biến độc lập (là các các tham số cấu trúc) được thực hiện trong MATLAB bằng các đoạn chương trình đã soạn sẵn (xem Phụ lục 6)
1 Nhóm 1 phương trình hồi gui (1) của Nhóm! rất tốt nên không khảo sát đa biến
Nhóm cdc PHENOL Phuong tinh (9) cé QŸ cao nhất (so sánh trong
2.000.000 khảo sát từ 2 đến 21 biến của nhóm 9 hợp chất phenol).Xem Hình 4 Cmiz = 28,2 - 0,47 log K - 0,17 Di + 0,005 Su +2,9 Eho -3,01 Elu (9)
R?=0,99 Q7=0,96 F=90,99 mse = 0,0079
Nhóm các ANILIN, Phương trình (10) có QŸ cao nhất ( khảo sát 2.000.000
mô hình tốt nhất có từ 2 - 21 biến của nhóm 14 hợp chất anilin) Xem Hình 5
Cmiz=0,2 logK -4,4 C2 -6,4 C4 -21 CS5-(5,5E-05) En +0,48 Po +1,88 Elu -2,78 (10)
R?=0,99 Q’=0,96 F=372.02 mse = 0,0024
Nhóm các Benzonitril & benzaldehyd
Phương trình hồi qui (11) là phương trình có QÝ cao nhất (khảo sát 2.000.000 mô hình tốt nhất có từ 2 - 21 biến của nhóm 10 hợp chất Benzonitril & benzaldehyd Xem Hình 6
Cmiz = 1,2 logK + 0,69 Et— 0,003Ee + 0,44 Eho - 0,65 (Ei)
R?=0,97 Q?=0,91 = 36,61 mse = 0,0037
rang 59
Trang 11Luận văn cao học
3 Nhóm 3 các nỉitrobenzen Phương trình (12) có Q° lớn nhất (khi khảo sát:
2.000.000 mô hình tốt nhất có từ 2-21 biến của 14 hợp chất anilin) Xem Hình 7
Cmiz = -0.58logK +1,06C2 - L.31C4 -0,0005Eb -6,9E-06En -0,27Di -0,14Ref +0,91Po -0,13Elu-2,9
Hình 4 Giá trị tính toán và dự báo the Hình 5 Giá trị tính toán và dự báo theo
độc tính thực nghiệm các PHENOL độc tính thực nghiệm các ANILINE
Trang 12,„ Luận văn cao học
HOI QUI TUYEN TÍNH ĐƠN BIỂN
phan cuc
Kết quả khảo sát tuyến tính bằng các phương pháp thống kê kinh điển cho
các mô hình khá tốt Khảo sát đơn biến giúp xác định một cách định tính các cơ chế
gây độc của các nhóm hợp chất Các khảo sát QSAR bằng hổi qui tuyến tính đa
biến cho các mô hình RŸ và Qrất cao tức là các mô hình có khả năng tổng quát hóa
cao Các mô hình này có thể ứng dụng để dự báo các hoạt tính sinh học của các hợp chất benzen
Trang 61
Trang 13Liudn vdn cao hoc
7.1.5, Bước 5, HỒI QUI TUYẾN TÍNH CÁC NHOM GHEP CUA 77 DXB
Để việc (ng dung cdc mé hinh QSAR trọng việc dự báo các hoạt nh gây độc
có hiệu suất cao hơn cẩn phải có các mô hình có số lượng các hợp chất nhiều hơn (trên 40 hợp chất), các nhóm ghép mới sẽ được trình bày sau đây:
+ Nhóm a : là các hợp chất dẫn xuất benzen gây độc mạnh bao gồm 33 hợp chất gây mê phân cực (có các nhóm thế OH, NH,) và !6 hợp chất nitrobenzen Việc ghếp các nhóm này thành nhóm 49 dẫn xuất bénzen gây mê phân cực (gọi `là Nhóm 49 DXBGMPC) để tiến hành khảo sát QSAR là rất cần thiết,
+ Nhóm b : gỗm toàn bộ 77 dẫn xuất benzen có trong Bang L Goi 1a 77 DXB 7.1.5.1 KHẢO SÁT QSAR 49 DXBGMPC
Một số mô hình thu được khi khảo sát QSAR Nhóm | (hdi qui tuyén tinh)
« Mô hình l (1 biến độc lập):
R?=0,51;F =44,32 , Q?=0.474
* Méhinh 2 (21 bién déc lap ) cd R? = 0,89; F = 8,88 ; Q? gan bằng 0
© M6 hinh 34 trên Đồ thi ] là mô hình có Q? tét nhat khi khdo séc QSAR 49
DXBGĐPC có phương trình hồi qui sau :
Cmiz = 0,075 +0,68 logK -0,27 C4 +0,24 C5 +0,22 C6 -0,50 Di+2 Su -1,55 Vo -0.2 Elu
20 biến độc lập ) có R? > 0.75 va Q? >0,50 khi kido sdt QSAR bằng hổi qui tuyến
tính bộ dữ liệu 49 DXBGMPC (bộ dữ liệu đã chuẩn hóa) Các mô hình có QỶ cao
Trang 62
