góp phần nghiên cứu phản ứng thủy phân
advertisement
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TỐNG THỊ THU CÚC GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ACETYLCHOLINE VỚI XÚC TÁC ENZYM ACETYLCHOLINESTERASE BẰNG PHƢƠNG PHÁP HÓA TIN LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TỐNG THỊ THU CÚC GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ACETYLCHOLINE VỚI XÚC TÁC ENZYM ACETYLCHOLINESTERASE BẰNG PHƢƠNG PHÁP HÓA TIN Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 62.44.01.19 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA 1. TS. Nguyễn Hữu Thọ GS. TSKH. ĐẶNG ỨNG VẬN 2. GS. TS. Lâm Ngọc Thiềm Hà Nội - 2015 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................... Error! Bookmark not defined. MỤC LỤC ..................................................................................................................3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............. Error! Bookmark not defined. DANH MỤC CÁC BẢNG........................................ Error! Bookmark not defined. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................... Error! Bookmark not defined. MỞ ĐẦU .....................................................................................................................5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................8 1.1. Tổng quan đối tƣợng nghiên cứu ..................................................................8 1.1.1. Cấu trúc ....................................................................................................8 1.1.2. Cơ chế phản ứng xúc tác enzym ........... Error! Bookmark not defined. 1.1.3. Một số chất ức chế đối với acetylcholinesterase Error! Bookmark not defined. 1.2. Tình hình nghiên cứu ................................... Error! Bookmark not defined. 1.3. Tổng quan phƣơng pháp nghiên cứu ......... Error! Bookmark not defined. 1.3.1. Phƣơng pháp cơ học phân tử ................ Error! Bookmark not defined. 1.3.2. Phƣơng pháp phiếm hàm mật độ ......... Error! Bookmark not defined. 1.3.3. Phƣơng pháp kết hợp cơ học lƣợng tử - cơ học phân tử (QM/MM) ........................................................................... Error! Bookmark not defined. 1.3.4. Kĩ thuật protein docking ....................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 2. NGUỒN DỮ LIỆU VÀ CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU ................. Error! Bookmark not defined. 2.1. Nguồn dữ liệu ................................................ Error! Bookmark not defined. 2.2. AutoDock Vina 1.1.1 .................................... Error! Bookmark not defined. 2.3. Gaussian 09W và GaussView 5.0.8 ............. Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN............... Error! Bookmark not defined. 3.1. Kết quả khảo sát docking cho cơ chất acetylcholine Error! Bookmark not defined. 3.1.1. Kết quả docking đối với acetylcholinesterase ở cá đuối điện .... Error! Bookmark not defined. 3.1.2. Kết quả docking đối với acetylcholinesterase ở ngƣời ............... Error! Bookmark not defined. 3.2. Kết quả tính QM/MM cho phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ xúc tác enzym ở cá đuối điện và ở ngƣời .................. Error! Bookmark not defined. 3.2.1. Kết quả tính QM/MM cho phản ứng ở cá đuối điện .................. Error! Bookmark not defined. 3.2.2. Kết quả tính QM/MM cho phản ứng ở ngƣời ... Error! Bookmark not defined. 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của một số chất đến acetylcholinesterase ............................................................................... Error! Bookmark not defined. 3.3.1. Kết quả docking của donepezil ............. Error! Bookmark not defined. 3.3.2. Kết quả docking của galantamin .......... Error! Bookmark not defined. 3.3.3. Kết quả docking của tacrin ................... Error! Bookmark not defined. 3.3.4. Kết quả docking của neostigmin .......... Error! Bookmark not defined. 3.3.5. Kết quả docking của physostigmin ...... Error! Bookmark not defined. 3.3.6. Kết quả docking của rivastigmin ......... Error! Bookmark not defined. 3.3.7. Ảnh hƣởng của các chất ức chế khi gắn kết ngoài hốc phản ứng ........................................................................... Error! Bookmark not defined. KẾT LUẬN ............................................................... Error! Bookmark not defined. KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ....... Error! Bookmark not defined. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ................................................................................... Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................12 PHỤ LỤC 1 ............................................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 2 ............................................................... Error! Bookmark not defined. MỞ ĐẦU Luận án nghiên cứu một trong những phản ứng quan trọng trong cơ thể sống: phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ enzym acetylcholinesterase. Phản ứng đƣợc mô phỏng bằng các phƣơng pháp hóa tin để làm rõ những yếu tố xác định hoạt tính của enzym. Lý do lựa chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự hoàn thiện của các phƣơng pháp tính hóa lƣợng tử, sự xâm nhập của hóa học lý thuyết vào lĩnh vực xúc tác enzym cũng ngày càng phát triển. Nghiên cứu hệ xúc tác enzym để làm sáng tỏ bản chất hóa học của các phản ứng trong cơ thể sống đang đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Một khi các phƣơng pháp lý thuyết thành công trong lĩnh vực này sẽ định hƣớng cho việc điều chỉnh, can thiệp vào các quá trình diễn ra trong cơ thể sống trƣớc khi thử nghiệm trực tiếp trên cơ thể, hạn chế đƣợc rủi ro, nguy hiểm. Đến nay, các phƣơng pháp lý thuyết nghiên cứu hệ xúc tác enzym đang trong quá trình hoàn thiện, vì vậy việc tiếp cận để cải tiến các phƣơng pháp này là một hƣớng phát triển đƣợc ƣu tiên vì nó sẽ tạo ra một bƣớc nhảy vọt trong hóa lý thuyết, đƣa lý thuyết tiến gần hơn đến thực nghiệm. Phản ứng hóa sinh giữ một vị trí rất quan trọng trong nghiên cứu khoa học cũng nhƣ trong ứng dụng thực tiễn, đặc biệt dạng phản ứng này xảy ra trong cơ thể sống. Khi hiểu đƣợc cơ chế của nó sẽ giúp con ngƣời biết cách điều chỉnh đƣợc hƣớng đi và diễn biến của quá trình phản ứng sao cho có lợi nhất. Trong nhóm esterase, acetylcholinesterase là enzym có hoạt tính cao và tham gia trực tiếp vào quá trình truyền dẫn xung thần kinh với chức năng thủy phân chất dẫn truyền xung thần kinh acetylcholine [66, 69, 70]. Bằng thực nghiệm, tác giả Harry C. Froede và Irwin B. Wilson [27] đã sử dụng phƣơng pháp nguyên tử đánh dấu 3H để khảo sát cơ chế của phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ xúc tác acetylcholinesterase và đề xuất cơ chế acetylenzym (xem chi tiết mục 1.1.2 trang 20). Với mong muốn góp phần làm sáng tỏ cơ chế đã đƣợc đề xuất từ thực nghiệm, tác giả sử dụng phƣơng pháp hóa tin trong đề tài "Góp phần nghiên cứu phản ứng thủy phân acetylcholine với xúc tác enzym acetylcholinesterase bằng phương pháp hóa tin". Mục đích của luận án Mục đích của luận án là tập trung làm sáng tỏ cơ chế xúc tác của một nhóm enzym xúc tác cho phản ứng thủy phân - enzym esterase, cụ thể là enzym acetylcholinesterase bằng các phƣơng pháp hóa tin. - Nghiên cứu cơ chế giai đoạn acetyl hóa của phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ xúc tác enzym ở cá đuối điện (Torpedo californica) và ở ngƣời (theo cơ chế acetylenzym) nhằm làm rõ các yếu tố quyết định hoạt tính xúc tác của enzym. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số chất ức chế acetylcholinesterase. Đối tƣợng Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ xúc tác là enzym acetylcholinesterase (thuộc nhóm esterase) ở hai loài là cá đuối điện và ngƣời. Tác giả lựa chọn acetylcholinesterase ở cá đuối điện là enzym có hoạt tính đặc biệt cao [66, 70] và acetylcholinesterase ở ngƣời để định hƣớng cho những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến lĩnh vực hóa dƣợc. Phạm vi nghiên cứu Luận án sử dụng các phƣơng pháp hóa tin để làm rõ cơ chế phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ xúc tác enzym, đồng thời nghiên cứu ảnh hƣởng của một số chất đến hoạt tính của enzym. Những chất này đã từng đƣợc sử dụng làm thuốc điều trị các chứng bệnh liên quan đến rối loạn truyền dẫn xung thần kinh. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Về mặt khoa học: Những kết quả thu đƣợc từ các số liệu tính toán sẽ góp phần làm tăng thêm vốn hiểu biết về cơ chế của các phản ứng sinh học. - Về mặt thực tiễn: Những đặc điểm biến đổi về mặt cấu trúc và năng lƣợng phản ứng có thể gợi mở cho những ứng dụng mô phỏng sinh học và điều chỉnh, can thiệp vào các quá trình xảy ra trong cơ thể sinh vật. Những điểm mới của luận án - Trong luận án, tác giả đã sử dụng các phƣơng pháp hóa tin (DFT, QM/MM (DFT/AMBER), protein docking) để khảo sát chi tiết phản ứng thủy phân acetylcholine nhờ enzym ở cá đuối điện và ở ngƣời, phân tích, so sánh phản ứng ở hai trƣờng hợp kể trên để phân định vai trò của các yếu tố cấu trúc đối với hoạt tính của enzym và chỉ rõ quá trình tạo phức với enzym đã hình thành. Trong hai trƣờng hợp có sự khác nhau về năng lƣợng và sự biến đổi cấu trúc chi tiết trong quá trình phản ứng, tuy nhiên, vai trò tƣơng đồng của một số amino axit nhƣ Ser, His, Trp cũng đƣợc thể hiện rõ ràng. - Đánh giá sơ bộ ảnh hƣởng của một số chất ức chế đến phản ứng bằng kĩ thuật protein docking và phƣơng pháp QM/MM. Kết quả cho thấy rằng 6 chất đƣợc khảo sát đều có khả năng neo đậu tại hốc phản ứng để thực hiện chức năng ức chế của mình. - Từ các số liệu thu đƣợc bằng các phƣơng pháp hóa tin đã làm rõ hơn cơ chế đề xuất từ thực nghiệm. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan đối tƣợng nghiên cứu Esterase là nhóm enzym xúc tác cho quá trình thủy phân nhóm chức este. Acetylcholinesterase là enzym thuộc nhóm esterase, xúc tác cho quá trình thủy phân acetylcholine. Công thức cấu tạo vắn tắt của acetylcholine: Acetylcholine là một trong số các chất dẫn truyền xung thần kinh trong hệ thần kinh tự chủ. Nó hoạt động trong cả hệ thần kinh ngoại biên và hệ thần kinh trung ƣơng. Sau khi tác động vào các thụ thể để truyền tín hiệu, acetylcholine bị thủy phân dƣới tác dụng xúc tác của acetylcholinesterase thành axit acetic và choline để tín hiệu không bị chồng lấn. Sau đó choline sẽ đƣợc quay vòng để chuyển lại thành acetylcholine [96]. Acetylcholine Choline 1.1.1. Cấu trúc Acetylcholinesterase ở các loài khác nhau có cấu trúc khác nhau. Luận án nghiên cứu enzym ở cá đuối điện (Torpedo californica) và ở ngƣời. a) Cấu trúc bậc 1: (Xem kí hiệu các amino axit trong Phụ lục 1. Kí hiệu các amino axit). Cá đuối điện [81, 109]: MNLLVTSSLG VLLHLVVLCQ ADDHSELLVN TKSGKVMGTR VPVLSSHISA FLGIPFAEPP 70 80 90 100 110 120 VGNMRFRRPE PKKPWSGVWN ASTYPNNCQQ YVDEQFPGFS GSEMWNPNRE MSEDCLYLNI 130 140 150 160 170 180 WVPSPRPKST TVMVWIYGGG FYSGSSTLDV YNGKYLAYTE EVVLVSLSYR VGAFGFLALH 190 200 210 220 230 240 GSQEAPGNVG LLDQRMALQW VHDNIQFFGG DPKTVTIFGE SAGGASVGMH ILSPGSRDLF 250 260 270 280 290 300 RRAILQSGSP NCPWASVSVA EGRRRAVELG RNLNCNLNSD EELIHCLREK KPQELIDVEW 310 320 330 340 350 360 NVLPFDSIFR FSFVPVIDGE FFPTSLESML NSGNFKKTQI LLGVNKDEGS FFLLYGAPGF 370 380 390 400 410 420 SKDSESKISR EDFMSGVKLS VPHANDLGLD AVTLQYTDWM DDNNGIKNRD GLDDIVGDHN 430 440 450 460 470 480 VICPLMHFVN KYTKFGNGTY LYFFNHRASN LVWPEWMGVI HGYEIEFVFG LPLVKELNYT 490 500 510 520 530 540 AEEEALSRRI MHYWATFAKT GNPNEPHSQE SKWPLFTTKE QKFIDLNTEP MKVHQRLRVQ 550 560 570 580 MCVFWNQFLP KLLNATACDG ELSSSGTSSS KGIIFYVLFS ILYLIF Trong chuỗi các amino axit trên, 21 amino axit đầu tiên là đoạn peptit tín hiệu, mang thông tin điều khiển việc chuyển vận của phân tử protein đến vị trí thực hiện chức năng. Sau khi protein tới vị trí đích, các amino axit này sẽ bị tách ra. 22 amino axit cuối cùng là đoạn peptit tiền hoạt hóa. Protein chỉ thực hiện chức năng khi phần này đƣợc tách bỏ. Nhƣ vậy, ở trạng thái hoạt hóa, phân tử enzym acetylcholinesterase ở cá đuối điện gồm 543 amino axit (phần in đậm). Ngƣời [111]: MRPPQCLLHT PSLASPLLLL LLWLLGGGVG AEGREDAELL VTVRGGRLRG IRLKTPGGPV 70 80 90 100 110 120 SAFLGIPFAE PPMGPRRFLP PEPKQPWSGV VDATTFQSVC YQYVDTLYPG FEGTEMWNPN 130 140 150 160 170 180 RELSEDCLYL NVWTPYPRPT SPTPVLVWIY GGGFYSGASS LDVYDGRFLV QAERTVLVSM 190 200 210 220 230 240 NYRVGAFGFL ALPGSREAPG NVGLLDQRLA LQWVQENVAA FGGDPTSVTL FGESAGAASV 250 260 270 280 290 300 GMHLLSPPSR GLFHRAVLQS GAPNGPWATV GMGEARRRAT QLAHLVGCPP GGTGGNDTEL 310 320 330 340 350 360 VACLRTRPAQ VLVNHEWHVL PQESVFRFSF VPVVDGDFLS DTPEALINAG DFHGLQVLVG 370 380 390 400 410 420 VVKDEGSYFL VYGAPGFSKD NESLISRAEF LAGVRVGVPQ VSDLAAEAVV LHYTDWLHPE 430 440 450 460 470 480 DPARLREALS DVVGDHNVVC PVAQLAGRLA AQGARVYAYV FEHRASTLSW PLWMGVPHGY 490 500 510 520 530 540 EIEFIFGIPL DPSRNYTAEE KIFAQRLMRY WANFARTGDP NEPRDPKAPQ WPPYTAGAQQ 550 560 570 580 590 600 YVSLDLRPLE VRRGLRAQAC AFWNRFLPKL LSATDTLDEA ERQWKAEFHR WSSYMVHWKN 610 QFDHYSKQDR CSDL Trừ đoạn peptit tín hiệu (31 amino axit đầu tiên) enzym acetylcholinesterase ở ngƣời gồm 583 amino axit (phần in đậm). So sánh cấu trúc bậc 1 của enzym acetylcholinesterase ở hai loài ta thấy không giống nhau cả về số lƣợng amino axit và trình tự sắp xếp. Tuy nhiên, enzym ở cả hai loài đều có tâm xúc tác là bộ ba amino axit (Ser, His, Glu). b) Cấu trúc bậc 2: Cá đuối điện [34]: Cấu trúc bậc hai của acetylcholinesterase ở cá đuối điện đƣợc thể hiện trên hình 1.1. Hình 1. 1. Cấu trúc bậc 2 của acetylcholinesterase ở cá đuối điện [34] TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Lâm Ngọc Thiềm (2008), Cơ sở hóa học lượng tử, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 2. Đặng Ứng Vận (2003), Động lực học các phản ứng hóa học, NXB Giáo dục, Hà Nội. 3. Đặng Ứng Vận (2007), Giáo trình Hóa tin cơ sở, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. Tiếng Anh 4. Agarwal P. K., Billeter S. R., Rajagopalan P. T. R., Benkovic S. J., and Hammes-Schiffer S. (2002), "Network of coupled promoting motions in enzyme catalysis", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 99(5), pp. 2794-2799. 5. Agarwal P. K. (2005), "Role of Protein Dynamics in Reaction Rate Enhancement by Enzymes", Journal of the American Chemical Society 127(43), pp. 15248-15256. 6. Bazelyansky M., Robey E., and Kirsch J. F. (1986), "Fractional DiffusionLimited Component of Reactions Catalyzed by Acetylcholinesterase", Biochemistry 25(1), pp. 125-130. 7. Becke A. D. (1992), “Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange”, J. Chem. Phys. 98(7), pp. 5648-5652. 8. Birks J., Harvey R. J. (2006), "Donepezil for dementia due to Alzheimer's disease", Cochrane Database of Systematic Reviews 1: CD001190. 9. Birks J. (2006), "Cholinesterase inhibitors for Alzheimer's disease", Cochrane Database of Systematic Reviews 1: CD005593. 10. Blake C. C. F., Koenig D. F., Mair G. A., North A. C. T., Phillips D. C., and Sarma V. R. (1965), "Structure of Hen Egg-white Lysozyme: A Three- dimensional Fourier Synthesis at 2 Å Resolution", Nature 206(4986), pp. 757-761. 11. Bourne Y., Taylor P., Radic Z., Marchot P. (2003), “Structural insights into ligand interactions at the acetylcholinesterase peripheral anionic site”, The EMBO Journal 22(1), pp. 1-12. 12. Briggs G. E., Haldane J. B. S. (1925), "A note on the kinetics of enzyme action", Journal of Biochemistry 19(2), pp. 338-339. 13. Buckley A. W., Sassower K., Rodriguez A. J., Jennison K., Wingert K., Buckley J., Thurm A., Sato S., and Swedo S. (2011), "An Open Label Trial of Donepezil for Enhancement of Rapid Eye Movement Sleep in Young Children with Autism Spectrum Disorders", Journal of Child and Adolescent Psychopharmacology 21(4), pp. 353-357. 14. Burn D., Emre M., McKeith I., Deyn P. P. D., Aarsland D., Hsu C., and Lane R. (2006), "Effects of Rivastigmine in Patients With and Without Visual Hallucinations in Dementia Associated With Parkinson's Disease", Movement Disorders 21(11), pp. 1899-1907. 15. Cheung J., Rudolph M. J., Burshteyn F., Cassidy M. S., Gary E. N., Love J., Franklin M. C., and Height J. J. (2012), “Structures of Human Acetylcholinesterase in Complex with Pharmacologically Important Ligands”, Journal of Medicinal Chemistry 55(22), pp. 10282-10286. 16. Chez M. G., Buchanan T. M., Becker M., Kessler J., Aimonovitch M. C., and Mrazek S. R. (2003), "Donepezil hydrochloride: a double-blind study in autistic children", Journal of Pediatric Neurology 1(2), pp. 83-88. 17. Colletier J., Fournier D., Greenblatt H. M., Stojan J., Sussman J. L., Zaccai G., Silman I., and Weik M. (2006), “Structural insights into substrate traffic and inhibition in acetylcholinesterase”, The EMBO Journal, 25(12), pp. 2746-2756. 18. Colovic M. B., Krstic D. Z., Lazarevic-Pasti T. D., Bondzic A. M., and Vasic V. M. (2013), “Acetylcholinesterase inhibitors: Pharmacology and Toxicology”, Current Neuropharmacology 11(3), pp. 315-335. 19. Cornell W. D., Cieplak P., Bayly C. I., Gould I. R., Merz K. M., Ferguson D. M., Spellmeyer D. C., Fox T., Caldwell J. W., and Kollman P. A. (1995), "A Second Generation Force Field for the Simulation of Proteins, Nucleic Acids, and Organic Molecules", Journal of the American Chemical Society 117(19), pp. 5179-5197. 20. Dvir H., Silman I., Harel M., Rosenberry T. L., and Sussman J. L. (2010), “Acetylcholinesterase: From 3D structure to function”, Chemico-Biological Interactions 187, pp. 10-22. 21. Eisenmesser E. Z., Bosco D. A., Akke M., and Kern D. (2002), "Enzyme Dynamics During Catalysis", Science 295(5559), pp. 1520-1523. 22. Eisenmesser E. Z., Millet O., Labeikovsky W., Korzhnev D. M., Wolf-Watz M., Bosco D. A., Skalicky J. J., Kay L. E., and Kern D. (2005), "Intrinsic dynamics of an enzyme underlies catalysis", Nature 438, pp. 117-121. 23. Ellis J. M., DO (2005), "Cholinesterase Inhibibitors in the Treatment of Dementia", The Journal of the American Osteopathic Association 105(3), pp. 145-158. 24. Emre M., Aarsland D., Albanese A. et al. (2004), "Rivastigmine for Dementia Associated with Parkinson's Disease", The New England Journal of Medicine 351(24), pp. 2509-2518. 25. Feller D., Davidson E. R. (1990), “Basis Sets for Ab Initio Molecular Orbital Calculations and Intermolecular Interactions”, Reviews in Computational Chemistry Vol. 1, pp. 1-43. 26. Fersht A. (1984), Enzyme structure and mechanism (Second Edition), W. H. Freeman, New York. 27. Froede H. C., Wilson I. B. (1984), “Direct Determination of Acetyl-enzyme Intermediate in the Acetylcholinesterase-catalyzed Hydrolysis of Acetylcholine and Acetylthiocholine”, Journal of Biological Chemistry 259(17), pp. 11010-11013. 28. Garret R. H., Grisham C. M. (2010), Biochemistry (fourth edition), Brooks/Cole, Cengage Learning. 29. Gaussian 09, Revision A.02, M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H. P. Hratchian, A. F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J. A. Montgomery, Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J. M. Millam, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G. Zakrzewski, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, S. Dapprich, A. D. Daniels, O. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, and D. J. Fox, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2009. 30. Handen B. L., Johnson C. R., McAuliffe-Bellin S., Murray P. J., and Hardan A. Y. (2011), "Safety and Efficacy of Donepezil in Children and Adolescents with Autism: Neuropsychological Measures", Journal of Child and Adolescent Psychopharmacology 21(1), pp. 43-50. 31. Hariharan P. C., Pople J. A. (1973), “The Influence of Polarization Functions on Molecular Orbital Hydrogenation Energies”, Theoretica Chimica Acta 28, pp. 213-222. 32. Heinrich M., Teoh H. L. (2004), "Galantamine from snowdrop – the development of a modern drug against Alzheimer's disease from local Caucasian knowledge", Journal of Ethnopharmacology 92(2-3), pp. 147162. 33. Hohenberg P., Kohn W. (1964), “Inhomogeneous Electron Gas”, Physical Review Vol.136(3B), pp. B864-B871. 34. Hutchinson E. G., Thornton J. M. (1996), "Promotif – A program to identify and analyze structural motifs in proteins", Protein Science 5(2), pp. 212-220. 35. Jann M. W. (2000), "Rivastigmine, a New-Generation Cholinesterase Inhibitor for the Treatment of Alzheimer's Disease", Pharmacotheray: The Journal of Human Pharmacology and Drug Therapy 20(1), pp. 1-12. 36. Jensen F. (1999), Introduction to Computational Chemistry, John Wiley & Sons, England. 37. Kamerlin S. C. L., Chu Z. T., and Warshel A. (2010), "On Catalytic Preorganization in Oxyanion Holes: Highlighting the Problems with the GasPhase Modeling of Oxyanion Holes and Illustrating the Need for Complete Enzyme Models", The Journal of Organic Chemistry 75(19), pp. 6391-6401. 38. Kamerlin S. C. L., Warshel A. (2010), "At the dawn of the 21st century: Is dynamics the missing link for understanding enzyme catalysis?", Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 78(6), pp. 1339-1375. 39. Kamerlin S. C. L., Warshel A. (2011), "Multiscale modeling of biological functions", Physical Chemistry Chemical Physics 13, pp. 10401-10411. 40. Kamerlin S. C. L., Warshel A. (2011), "The empirical valence bond model: theory and applications", Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science 1(1), pp. 30-45. 41. Koch W., Holthausen M. C. (2001), A Chemist’s Guide to Density Functional Theory (Second Edition), Wiley-VCH, Germany. 42. Kopelman R. (1988), "Fractal Reaction Kinetics", Science 241(4873), pp. 1620-1626. 43. Koshland D. E. (1994), “The Key-Lock Theory and the Induced Fit Theory”, Angewandte Chemie International Edition in English 33, pp. 2375-2378. 44. Kryger G., Silman I., Sussman J. L. (1999), “Structure of acetylcholinesterase complexed with E2020 (Aricept): implications for the design of new anti-Alzheimer drugs”, Structure 7(3), pp. 297-307. 45. Lee C., Yang W., Parr R. G. (1988), “Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density”, Physical Review 37(2), pp. 785-789. 46. Lundberg M., Kawatsu T., Vreven T., Frisch M. J., and Morokuma K. (2009), “Transition States in a Protein Environment – ONIOM QM:MM Modelling of Isopenicillin N Synthesis”, Journal of Chemical Theory and Computation Vol. 5, pp. 222-234. 47. Malouf R., Birks J. (2004), "Donepezil for vascular cognitive impairment", Cochrane Database of Systematic Reviews 1: CD004395. 48. Masgrau L., Roujeinikova A., Johannissen L. O., Hothi P., Basran J., Ranaghan K. E., Mulholland A. J., Sutcliffe M. J., Scrutton N. S., Leys D. (2006), "Atomic Description of an Enzyme Reaction Dominated by Proton Tunneling", Science 312(5771), pp. 237-241. 49. Matta C. F. (2010), Quantum Biochemistry, Wiley-VCH, Weinheim, Germany. 50. Moraes W., Poyares D., Sukys-Claudino L., Guilleminault C., and Tufik S. (2008), "Donepezil Improves Obstructive Sleep Apnea in Alzheimer Disease: A Double-Blind, Placebo-Controlled Study", Chest Journal 133(3), pp. 677-683. 51. Morris G. M., Huey R., Lindstrom W., Sanner M. F., Belew R. K., Goodsell D. S. and Olson A. J. (2009), “Autodock4 and AutoDockTools4: automated docking with selective receptor flexiblity”, Journal of Computational Chemistry 16: 2785-91. 52. Neet K. E. (1995), "Cooperativity in Enzyme Function: Equilibrium and Kinetic Aspects", Methods in Enzymology 249, pp. 519-567. 53. Nemukhin A. V., Grigorenko B. L., Morozov D. I., Kochetov M. S., Lushchekina S. V., Varfolomeev S. D. (2013), “On quantum mechanical – molecular mechanical (QM/MM) approaches to model hydrolysis of acetylcholine by acetylcholinesterase”, Chemico-Biological Interactions 203, pp. 51-56. 54. Noetzli M., Eap C. B. (2013), "Pharmacodynamic, Pharmacokinetic and Pharmacogenetic Aspects of Drugs Used in the Treatment of Alzheimer's Disease", Clinical Pharmacokinetics 52(4), pp. 225-241. 55. Olsson M. H. M., Parson W. W., and Warshel A. (2006), "Dynamical Contributions to Enzyme Catalysis: Critical Tests of A Popular Hypothesis", Chemical Review 106(5), pp. 1737-1756. 56. Ordentlich A., Barak D., Kronman C., Flashner Y., Leitner M., Segall Y., Ariel N., Cohen S., Velan B., and Shafferman A. (1993), "Dissection of the Human Acetylcholinesterase Active Center Determinants of Substrate Specificity", The Journal of Biological Chemistry 268(23), pp. 17083-17095. 57. Osterman L. A. (1984), Methods of Protein and Nucleic Acid Research. Volume 2: Immunoelectrophoresis, Application of Radioisotopes, SpringerVerlag, Berlin, Heidelberg. 58. Petersen R. C., Thomas R. G., Grundman M. et al. (2005), "Vitamin E and Donepezil for the Treatment of Mild Cognitive Impairment", The New England Journal of Medicine 352(23), pp. 2379-2388. 59. Pisliakov A. V., Cao J., Kamerlin S. C. L., and Warshel A. (2009), "Enzyme millisecond conformational dynamics do not catalyze the chemical step", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 106(41), pp.17359-17364. 60. Plotnikov N. V., Kamerlin S. C. L., and Warshel A. (2011), "Paradynamics: An Effective and Reliable Model for Ab Initio QM/MM Free-Energy Calculations and Related Tasks", Journal of Physical Chemistry B 115(24), pp. 7950-7962. 61. Plotnikov N. V., Warshel A. (2012), "Exploring, Refining, and Validating the Paradynamics QM/MM Sampling", Journal of Physical Chemistry B 116(34), pp. 10342-10356. 62. Plotnikov N. V., Prasad B. R., Chakrabarty S., Chu Z. T., and Warshel A. (2013), "Quantifying the Mechanism of Phosphate Monoester Hydrolysis in Aqueous Solution by Evaluating the Relevant Ab Initio QM/MM FreeEnergy Surfaces", Journal of Physical Chemistry B 117(42), pp. 1280712819. 63. Pohanka M. (2012), “Acetylcholinesterase inhibitors: a patent review (2008present)”, Expert Opinion on Therapeutic Patents 22(8), pp. 871-886. 64. The PyMOL (TM) Educational Product (2010), Schrodinger, LLC. 65. Qizilbash N., Whitehead A., Higgins J., Wilcock G., Schneider L., Farlow M. (1998), "Cholinesterase Inhibition for Alzheimer Disease: A Metaanalysis of the Tacrine Trials", The Journal of the American Medical Association 280(20), pp. 1777-1782. 66. Quinn D. M. (1987), “Acetylcholinesterase: Enzyme Structure, Reaction Dynamics, and Virtual Transition States”, Chem. Rev. Vol. 87, pp. 955-979. 67. Raves M. L., Harel M., Pang Y., Silman I., Kozikowski A. P., and Sussman J. L. (1997), “Structure of acetylcholinesterase complexed with the nootropic alkaloid, (-)-hupezine A”, Nature Structural Biology 4, pp. 57-63. 68. Rojas-Fernandez C. H. (2001), "Successful Use of Donepezil for the Treatment of Dementia with Lewy Bodies", Annals of Pharmacotherapy 35(2), pp. 202-205. 69. Rosenberry T. L. (1975), “Acetylcholinesterase”, Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology 43, pp. 103-218. 70. Rosenberry T. L. (2010), “Strategies to Resolve the Catalytic Mechanism of Acetylcholinesterase”, Journal of Molecular Neuroscience, 40, pp. 32-39. 71. Rosler M., Anand R., Cicin-Sain A., Gauthier S., Agid Y., Dal-Bianco P., Stahelin H. B., Hartman R., Gharabawi M. (1999), "Efficacy and safety of rivastigmine in patients with Alzheimer's disease: international randomised controlled trial", The BMJ 318(7184), pp. 633-638. 72. Sanner M. F. (1999), “Python: A Programming Language for Software Integration and Development”, Journal of Molecular Graphics and Modelling Vol. 17, pp. 57-61. 73. Savageau M. A. (1995), "Michaelis-Menten mechanism Reconsidered: Implications of Fractal Kinetics", Journal of Theoretical Biology 176(1), pp. 115-124. 74. Schnell S., Turner T. E. (2004), "Reaction kinetics in intracellular environments with macromolecular crowding: simulations and rate laws", Progress in Biophysics and Molecular Biology 85, pp. 235-260. 75. Scott L. J., Goa K. L. (2000), "Galantamine: A Review of its Use in Alzheimer's Disease", Drugs 60(5), pp. 1095-1122. 76. Shafferman A., Kronman C., Flashner Y. et al. (1992), "Mutagenesis of Human Acetylcholinesterase: Identification of Residues involved in catalytic activity and in polypeptide folding", The Journal of Biological Chemistry 267(25), pp. 17640-17648. 77. Simoes M. C. R., Viegas F. P. D., Moreira M. S. et al. (2014), "Donepezil: An Important Prototype to the Design of New Drug Candidates for Alzheimer's Disease", Mini-Reviews in Medicinal Chemistry 14(1), pp. 2-19. 78. Singh N., Warshel A. (2010), "Absolute binding free energy calculations: On the accuracy of computational scoring of protein-ligand interactions", Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 78(7), pp. 1705-1723. 79. Singh N., Warshel A. (2010), "A comprehensive examination of the contributions to the binding entropy of protein-ligand complexes", Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 78(7), pp. 1724-1735. 80. Singh U. C., Kollman P. A. (1986), “A combined Ab Initio Quantum Mechanical and Molecular Mechanical Method for Carrying out Simulations on Complex Molecular Systems: Applications to the CH3Cl + Cl- Exchange Reaction and Gas Phase Protonation of Polyethers”, Journal of Computational Chemistry 7(6), pp. 718-730. 81. Sussman J. L., Harel M., Frolow F., Oefner C., Goldman A., Toker L., Silman I. (1991), “Atomic Structure of Acetylcholinesterase from Torpedo californica: A Prototypic Acetylcholine-binding protein”, Science 253, pp. 872-879. 82. Tachikawa H., Igarashi M., Nishihira J., Ishibashi T. (2005), “Ab initio model study on acetylcholinesterase catalysis: potential energy surfaces of the proton transfer reactions”, Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 79, pp. 11-23. 83. Torrent M., Vreven T., Musaev D. G., and Morokuma K. (2002), “Effects of the Protein Environment on the Structure and Energetics of Active Sites of Metalloenzymes. ONIOM study of Methane Monooxygenase and Ribonucleotide Reductase”, Journal of American Chemical Society 124(2), pp. 192-193. 84. Touchon J., Bergman H., Bullock R., Rapatz G., Nagel J., and Lane R. (2006), "Response to rivastigmine or donepezil in Alzheimer's patients with symptoms suggestive of concomitant Lewy body pathology", Current Medical Research and Opinion 22(1), pp. 49-59. 85. Tougu V. (2001), "Acetylcholinesterase: Mechanism of Catalysis and Inhibition", Current Medicinal Chemistry – Central Nervous System Agents 1(2), pp. 155-170. 86. Tousignant A., Pelletier J. N. (2004), "Protein Motions Promote Catalysis", Chemistry and Biology 11, pp. 1037-1042. 87. Traub S. J., Nelson L. S., and Hoffman R. S. (2002), "Physostigmine as a Treatment for Gamma-Hydroxybutyrate Toxicity: A Review", Journal of Toxicology: Clinical Toxicology 40(6), pp. 781-787. 88. Tripathi A., Srivastava UC (2008), "Acetylcholinesterase: A versatile Enzyme of Nervous System", Annals of Neurosciences 15(4), pp. 106-111. 89. Trott O., Olson A. J. (2010), “AutoDock Vina: improving the speed and accuracy of docking with a new scoring function, efficient optimization and multithreading”, Journal of Computational Chemistry 31, pp. 455-461. 90. Villà J., Strajbl M., Glennon T. M., Sham Y. Y., Chu Z. T., and Warshel A. (2000), "How important are entropic contributions to enzyme catalysis?", Proceedings of the National Academy of the United States of America 97(22), pp. 11899-11904. 91. Wang J., Wolf R. M., Caldwell J. W., Kollman P. A., and Case D. A. (2004), "Development and testing of a general AMBER force field", Journal of Computational Chemistry 25(9), pp. 1157-1174. 92. Warshel A., Levitt M. (1976), “Theoretical Studies of Enzymic Reactions: Dielectric, Electrostatic and Steric Stabilization of the Carbonium Ion in the Reaction of Lysozyme”, Journal of Molecular Biology 103, pp. 227-249. 93. Warshel A. (2002), "Molecular Dynamics Simulations of Biological Reactions", Accounts of Chemical Research 35(6), pp. 385-395. 94. Warshel A., Sharma P. K., Kato M., Xiang Y., Liu H., and Olsson M. H. M. (2006), "Electrostatic Basis for Enzyme Catalysis", Chemical Reviews 106, pp. 3210-3235. 95. Warshel A. (2014), "Multiscale Modeling of Biological Functions: From Enzymes to Molecular Machines (Nobel Lecture)", Angewandte Chemie International Edition 53(38), pp. 10020-10031. 96. Whittaker V. P. (1990), "The contribution of drugs and toxins to understanding of cholinergic function", Trends in Pharmacological Sciences 11(1), pp. 8-13. 97. Woodruff-Pak D. S., Vogel R. W. III, and Wenk G. L. (2001), "Galantamine: Effect on nicotinic receptor binding, acetylcholinesterase inhibition, and learning", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 98(4), pp. 2089-2094. 98. Wright D. W., Hall B. A., Kenway O. A., Jha S., and Coveney P. V. (2014), “Computing Clinically Relevant Binding Free Energies of HIV-1 Protease Inhibitors”, Journal of Chemical Theory and Computation 10(3), pp. 12281241. 99. Xu F., Ding H. (2007), "A new kinetic model for heterogeneous (or spatially confined) enzymatic catalysis: Contributions from the fractal and jamming (overcrowding) effects", Applied Catalysis A: General 317(1), pp. 70-81. 100. Yang L., Bahar I. (2005), "Coupling between Catalytic Site and Collective Dynamics: A Requirement for Mechanochemical Activity of Enzymes", Structure 13, pp. 893-904. 101. York D. M., Lee T. (2009), Multi-scale quantum models for Biocatalysis: Modern Techniques and Applications, Springer. 102. Zhou Y., Wang S., Zhang Y. (2010), “Catalytic Reaction Mechanism of Acetylcholinesterase Determined by Born-Oppenheimer ab initio QM/MM Molecular Dynamics Simulations”, Journal of Physical Chemistry B 114(26), pp. 8817-8825. 103. Zvosec D. L., Smith S. W., Litonjua R., and Westfal R. E. J. (2007), "Physostigmine for gamma-hydroxybutyrate coma: Inefficacy, adverse events, and review", Clinical Toxicology 45(3), pp. 261-265. Websites 104. http://www.chemcraftprog.com 105. RCSB PDB Protein Data Bank, Crystal structure of Recombinant Human Acetylcholinesterase in the Apo state, <http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=4EY4> 106. RCSB PDB Protein Data Bank, Looking at Structures, <http://www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussion/Looking-atStructures/> 107. RCSB PDB Protein Data Bank, Three dimensional structure of the antiAlzheimer drug, E2020 (Aricept), complexed with its target acetylcholinesterase, <http://rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1EVE>. 108. RCSB PDB Protein Data Bank, <http://www.rcsb.org/pdb/results/results.do?gotopage=7&qrid=B9B2466&ta btoshow=Current> 109. UniProt, P04058 – Aces_Torca, <http://www.uniprot.org/uniprot/P04058> 110. UniProt, P21836 – Aces_Mouse, <http://www.uniprot.org/uniprot/P21836> 111. UniProt, P22303 – Aces_Human, <http://www.uniprot.org/uniprot/P22303>