Nghiên cứu lý thuyết sự tương tác của oxaliplatin với guanine và guanosine

- NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT SỰ TƯƠNG TÁC CỦA OXALIPLATIN VỚI GUANINE VÀ GUANOSINE.
- Trong nghiên cứu này, các phương pháp tính toán hóa lượng tử sẽ được sử dụng nhằm khảo sát sự tương tác giữa các sản phẩm thủy phân của oxaliplatin với phần base trong DNA cụ thể là guanine và guanosine.
- Phiếm hàm B3LYP cùng với các bộ hàm cơ sở thích hợp được sử dụng để khảo sát các tham số nhiệt động, cấu trúc điện tử, đặc điểm liên kết và tính chất quang phổ của các phức này.
- Kết quả tính toán cho thấy các tương tác này bị chi phối bởi các hiệu ứng có đặc trưng tĩnh điện cụ thể ở đây là liên kết Hydro.
- Hơn nữa, còn tồn tại một dòng điện tích dịch chuyển từ nguyên tử hydro của các phối tử sang nguyên tử oxy của guanine giúp ổn định các cấu trúc tạo thành..
- Nghiên cứu lý thuyết sự tương tác của oxaliplatin với guanine và guanosine.
- Tuy nhiên, đây là nhiệm vụ rất khó khăn, không những do sự đa dạng về thành phần, cấu trúc và tính chất của những phối tử thay thế, mà còn do thiếu những thông tin định lượng ở cấp độ nguyên tử về các yếu tố kiểm soát tương tác Pt–DNA..
- Trong bối cảnh đó, một sự hiểu biết hoàn chỉnh về bản chất của tương tác giữa Pt và các thành phần tạo nên DNA là rất hữu ích cho quá trình thiết kế các hợp chất tương tự cisplatin..
- Các nghiên cứu về cơ chế hoạt động của oxaliplatin – mặc dù chưa hoàn toàn sáng tỏ - cho thấy hoạt tính mạnh của nó là kết quả của sự chuyển hóa sinh học do tương tác với DNA tạo ra cả hai loại liên kết giữa và trong các sợi chéo nhau gây ra hiện tượng phá vỡ sự tổng hợp của DNA dẫn đến kết quả kháng u và độc tế bào..
- Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành khảo sát sự tương tác giữa một dẫn xuất chứa O của cisplatin, oxaliplatin, với guanine và guanosine bằng các phương pháp tính toán hóa lượng tử.
- Mục đích chính của nghiên cứu là tìm hiểu bản chất của sự tương tác, bao gồm các điểm liên kết, năng lượng liên kết và cơ chế liên kết.
- cấu trúc và hoạt tính của cisplatin cũng như các dẫn xuất của nó..
- Tần số dao động điều hòa (harmonic vibrational frequencies) cũng được tính nhằm xác định dạng hình học tối ưu tương ứng với cực tiểu địa phương (local minima) hay trạng thái chuyển tiếp trên bề mặt thế năng (potential energy surface).
- Điện tích obitan liên kết thuần túy (NBO – natural bond orbital charges) của các nguyên tử được xác định bằng chương trình NBO5.G (Glendening et al., 2001).
- Sự tương tác Pt-Guanine được dự đoán là ưu tiên nhất ở vị trí N7 (Baik et al., 2003)..
- Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát sự tương tác của [Pt(dach)(ox)( H 2 O.
- Bên cạnh đó, giá trị này còn có thể được sử dụng để đánh giá độ bền của tương tác Pt-Guanine và Pt-Guanosine..
- 3.1 Sự tương tác giữa [Pt(dach)(ox)(H 2 O.
- với guanine.
- Guanine là một loại nucleobase hiện diện trong cả DNA và RNA, thuộc nhóm base purine, cấu trúc gồm có vòng pyrimidine và vòng imidazol 5 cạnh (Hình 1).
- Oxaliplatin có thể hình thành liên kết với phân tử guanine tại các vị trí N 1 , N 3 , N 7 , N 9 và O 6 .
- Sự hình thành liên kết giữa oxaliplatin với guanine tại những vị trí này lần lượt được ký hiệu là PtGN1, PtGN3, PtGN7, PtGN9 và PtGO.
- Có 5 cấu trúc của phức [Pt(dach)(ox)Aq.
- Tất cả các cấu trúc đều có liên kết hydro giữa guanine và các phối tử khác ngoại trừ PtGO..
- Cấu trúc có năng lượng thấp của [Pt(dach)(ox)Aq.
- Dạng này được ổn định nhờ liên kết hydro giữa N-H trên phối tử dach với nguyên tử O của guanine.
- Chênh lệch năng lượng của hai dạng này tại mức lý thuyết B3LYP/cc-pVTZ-(PP) là 20,4 kcal/mol và do đó giá trị này có thể được xem là năng lượng liên kết hydro trong ion phức [Pt(dach)(ox)G.
- Các cấu trúc PtGN9 và PtGN1 cũng hình thành liên kết hydro nhưng chúng kém bền hơn PtGN7..
- Hình 1: Guanine và các vị trí có thể hình thành liên kết với oxaliplatin.
- Hình 2: Cấu trúc của [Pt(dach)(ox)G.
- Năng lượng trao đổi phối tử tính tại mức lý thuyết B3LYP/cc-pVTZ-(PP) thay đổi từ -275,26 (PtGN7) đến -254,84 (PtGN3)..
- bởi phối tử guanine là quá trình giải phóng năng lượng và tương tác giữa phức Pt(II)-G mang bản chất hóa học..
- Bảng 1: Năng lượng tương đối giữa các cấu trúc (RE), năng lượng trao đổi phối tử (E T ) và độ dài liên kết hydro cũng như độ dài liên kết giữa Pt với guanine (r Pt-G.
- Độ dài liên kết hydro (Å).
- Từ kết quả này ta có thể nhận xét rằng cả độ dài liên kết hydro giữa oxaliplatin với guanine và độ dài liên kết Pt-G đều có ảnh hưởng đến độ bền của các cấu trúc.
- Hai cấu trúc bền nhất chính là PtGN7 và PtGN9 đều có ݎ ௉௧ିீ ngắn nhất (lần lượt là 2,05 và 2,04 Å), tuy nhiên PtGN7 bền hơn do có độ dài liên kết hydro ngắn hơn nhiều (1,94 so với 2,37 Å).
- Điều này có thể do trong phân tử PtGN7 liên kết hydro là N-H∙∙∙O nên nguyên tử H linh động hơn so với H trong C-H∙∙∙O của PtGN9..
- 3.2 Sự tương tác giữa [Pt(dach)(ox)(H 2 O.
- với các cấu trúc được dự đoán như trên Hình 3.
- Tất cả đều được ổn định bởi liên kết hydro..
- Cấu trúc có năng lượng thấp nhất của [Pt(dach)(ox)Go.
- Dạng này được ổn định nhờ liên kết hydro giữa H của nhóm N-H trên phối tử dach với nguyên tử O trên vòng pyrimidine của guanosine.
- Trong khi đó, cấu trúc PtGoN3 có năng lượng cao nhất với mức chênh lệch so với PtGoN7 là 24,9 kcal/mol nên kém ổn định nhất..
- Các cấu trúc PtGoO và PtGoN1 cũng hình thành liên kết hydro nhưng chúng kém bền hơn PtGoN7..
- Hình 3: Cấu trúc của [Pt(dach)(ox)Go.
- Bảng 2: Năng lượng trao đổi phối tử (E T ) và độ dài liên kết Pt-Go.
- Năng lượng trao đổi phối tử tính tại mức lý thuyết B3LYP/cc-pVTZ-(PP) thay đổi từ -280,45 (PtGoN7) đến -255,56 (PtGoN3).
- Kết quả cho thấy có mối tương quan giữa E T với độ dài của liên kết hydro NH∙∙∙O.
- Phức bền nhất PtGoN7 có giá trị E T âm nhất tương thích với khoảng cách của liên kết r NH…O ngắn nhất..
- 3.3 Sự thay đổi các tham số hình học và tần số dao động.
- Khi liên kết hydro XH∙∙∙O được hình thành, độ dài và tần số dao động của liên kết XH có sự thay đổi đáng kể (Bảng 3).
- Kết quả tính tại mức lý thuyết B3LYP/cc-pVTZ/cc-pVTZ-PP cho thấy, do tạo liên kết hydro, độ dài các liên kết X-H được kéo dài ra Å), ứng với sự giảm tần số dao động X-H cm -1.
- Bảng 3: Sự thay đổi độ dài (Δr, Å), tần số dao động (Δν, cm -1 ) của các liên kết X-H tham gia liên kết hydro.
- Phức Liên kết Δr Δν.
- Ví dụ, độ dài liên kết HN-H của nhóm dach trong phức [Pt(dach)(ox)Aq.
- là 1,019 Å so với 1,026 Å trong cấu trúc PtGN7.
- Phù hợp với sự thay đổi về độ dài liên kết, sự dao động co giãn liên kết HN-H bị chuyển dịch đỏ đáng kể.
- Dao động này trong PtGN7 xuất hiện tại 3348,08 cm -1 so với giá trị 3436,67 cm -1 trong phức monoaqua [Pt(dach)(ox)Aq.
- Sự hình thành liên kết hydro ảnh hưởng không.
- chỉ đến liên kết X-H mà còn đến nhóm cacbonyl của guanine và guanosine.
- Dao động hóa trị của liên kết C=O trong guanine và guanosine được dự đoán là xuất hiện tại 1797,26 và 1796,07 cm -1 .
- Do ảnh hưởng của liên kết hydro, tần số dao động C=O trong phức PtGN7 và PtGoN7 bị chuyển dịch đỏ lần lượt đến 1751,03 và 1742,47 cm -1 .
- Sự thay đổi này được giải thích là do sự hình thành liên kết hydro đã làm yếu đi liên kết đôi C=O, bên cạnh sự tác dụng của quá trình platinate hóa..
- Mặc dù cho đến thời điểm này, phổ thực nghiệm của những hệ nghiên cứu chưa được công bố, nhưng phổ lý thuyết của chúng vẫn được trình bày trong bài báo này như là những dự đoán mà có thể cho phép xác định cấu trúc tối ưu khi những thông tin thực nghiệm về quang phổ xuất hiện..
- Hình 4 và 5 minh họa phổ dao động (IR) của phức monoaqua oxaliplatin và các cấu trúc bền nhất của nó khi tạo liên kết với guanine và guanosine cụ thể là PtGN7 và PtGoN7..
- Xem qua Hình 4 ta có thể thấy có 3 vùng phổ đặc trưng là vùng dao động trước 1500 cm -1 , vùng từ 1650-1850 cm -1 và vùng từ 3000-4000 cm -1 .
- Với các dao động nhỏ hơn 1500 cm -1 thuộc vùng phổ có các kiểu dao động phức tạp với các loại dao động biến dạng của các liên kết C-C, C-H,… và các dao động hóa trị C-N, C-O,… Chúng tương tác và dẫn đến kết quả là tạo ra nhiều dao động khung, đặc trưng cho sự chuyển động của toàn bộ phân tử chứ không riêng của một nhóm chức nào.
- Chính vì vậy, khi khảo sát thường bỏ qua vùng dao động vân tay này.
- Tiếp đến từ 1650-1850 cm -1 là vùng dao động đặc trưng cho nhóm C=O, phổ đồ của oxaliplatin-aqua chứa nhóm C=O có mũi cao với cường độ mạnh tại 1790,19 cm -1 , trong khi đó mũi C=O của guanine xuất hiện tại 1797,26 cm -1 .
- Sau khi tương tác với guanine lại cho ta đỉnh chẻ đôi sâu có cường độ mạnh hơn tại vị trí 1770,92 cm -1 .
- Như vậy, có thể thấy quá trình giảm số sóng và cường độ dao động tăng lên là do sau khi tương tác đã hình thành liên kết hydro trong ion phức.
- Vùng dao động từ 3000-4000 cm -1 của oxaliplatin-aqua xuất hiện mũi dao động hóa trị có cường độ nhỏ tại 3636,85 cm -1 .
- Tại 2 mũi ở vị trí 3436,67 và 3348,08 cm -1 được quy kết là dao động N-H không tạo liên kết hydro và mũi có tạo liên kết hydro của nhóm dach trong oxaliplatin, vì quá trình tạo liên kết hydro sẽ làm cho số sóng dao động hóa trị bị giảm đi.
- Ngoài ra, vân hấp thụ còn bị trải rộng ra hơn và số sóng dao động biến dạng lại tăng lên..
- Gần như tương tự Hình 4 với 3 vùng phổ đặc trưng và các vị trí dao động hóa trị.
- Mũi C=O của guanosine tại vị trí 1796,07 cm-1 gần như tương đương với guanine (1797,26 cm-1) nhưng sau khi tương tác cho mũi C=O mạnh hơn, mũi chẻ đôi sâu hơn và có số sóng giảm đi nhiều hơn.
- 3317,82 cm-1 được cho là các dao động co giãn, dao động không đối xứng (bung dù) của liên kết N-H của nhóm dach trong oxaliplatin cho thấy sự tương tác mạnh mẽ sau khi vào cơ thể của oxaliplatin, mà cụ thể là do các liên kết thay đổi và hình thành liên kết hydro..
- Để có cái nhìn sâu hơn về bản chất của liên kết hydro trong các phức thu được, chúng tôi thực hiện các phân tích NBO ở cùng mức lý thuyết B3LYP/cc-pVTZ-(PP) cho các cấu trúc bền nhất..
- Trong phân tích NBO để đánh giá liên kết hydro ta cần quan tâm đặc biệt đến năng lượng nhiễu loạn bậc hai E(2) (Weinhold et al., 2012).
- Năng lượng E(2) càng lớn, tương tác của liên kết hydro càng mạnh.
- Bảng 4 liệt kê các giá trị E(2) liên quan đến liên kết hydro trong các phức PtGN7 và PtGoN7..
- Cấu trúc Năng lượng.
- Các giá trị năng lượng nhiễu loạn bậc hai được liệt kê trong Bảng 4 cho thấy sự hiện diện của những tương tác xuất phát từ các cặp electron tự do LP(1) và LP(2) của nhóm cacbonyl với các obitan phản liên kết σ * (N-H).
- Dựa vào Bảng 4, ta thấy rõ ràng liên kết hydro trong PtGoN7 mạnh hơn trong PtGN7.
- Hình 7: Điện tích NBO của nguyên tử H1 và O5 khi chưa tạo liên kết H.
- Vì liên kết hydro có liên quan đến sự phân bố lại điện tích nên chúng tôi tiến hành khảo sát thêm điện tích NBO của các nguyên tử tham gia vào liên kết hydro.
- Những kết quả thu được từ điện tích NBO cho thấy do sự hình thành liên kết hydro, nguyên tử H trở nên dương điện hơn.
- Trong nghiên cứu này, sự tương tác giữa các sản phẩm thủy phân của oxaliplatin tại những vị trí tương tác khác nhau trên nucleobase guanine và guanosine được khảo sát một cách hệ thống bằng các phương pháp tính toán hóa học lượng tử.
- Lý thuyết phiếm hàm mật độ (B3LYP) kết hợp với các bộ hàm cơ sở phù hợp tương quan (cc-pVTZ và cc- pVTZ-PP) được sử dụng để khảo sát các tham số nhiệt động, cấu trúc điện tử, đặc điểm liên kết, tính chất quang phổ,… trên một loạt các cấu trúc khác nhau, thay vì sử dụng các phương pháp thực nghiệm truyền thống..
- Kết quả tính toán cho thấy tương tác giữa Pt(II) với guanine và guanosine đều được ưu tiên xảy ra tại vị trí N7.
- Phức hình thành được ổn định nhờ các liên kết hydro trong phân tử.
- Như vậy, liên kết hydro có vai trò quan trọng trong việc ổn định liên kết giữa oxaliplatin với các nucleobase..
- Điểm đáng chú ý là so với cisplatin, oxaliplatin cho thấy khả năng tương tác với guanine và guanosine mãnh liệt hơn nhiều.
- Năng lượng trao đổi phối tử aqua của [Pt(NH 3 ) 2 (H 2 O)Cl.
- Sự phân tích NBO được tiến hành nhằm đánh giá sâu hơn về bản chất của liên kết hydro trong các hệ nghiên cứu.
- Kết quả cho thấy khi liên kết hydro được hình thành thì nguyên tử H tham gia liên kết trở nên dương điện hơn.
- Ngược lại, nguyên tử O tham gia hình thành liên kết trở nên âm điện hơn.
- Vậy đã có sự dịch chuyển điện tích từ nguyên tử H sang nguyên tử O khi liên kết hydro được hình thành..
- Khi liên kết hydro XH∙∙∙O được hình thành, độ dài và tần số dao động hóa trị của liên kết X-H (X=N, C) thay đổi đáng kể.
- Kết quả tính toán cho thấy khoảng cách của liên kết X-H được kéo dài ra từ 0,002 đến 0,012 Å, tương ứng với sự giảm tần số dao động X-H từ 88,59 đến 255,23 cm -1 so với ban đầu.
- Phổ hồng ngoại lý thuyết của những hệ nghiên cứu được công bố như là những dự đoán qua đó cho phép xác định cấu trúc tối ưu khi những thông tin thực nghiệm về quang phổ xuất hiện.