Восстановительно-окислительные реакции кверцетина, катехина, нарингенина, их кратковременных и стабильных продуктов окисления, а также взаимосвязь между активностью флавоноидов по улавливанию свободных радикалов и их электронной структурой широко изучаются в течение нескольких десятилетий [ 1 , 9 , 14 , 14]. 15 , 16 , 17 , 18 , 22 ]. Способность негликозилированных флавоноидов действовать как поглотители АФК связана с количеством гидроксильных групп из-за их способности отдавать водородный радикал и их способности образовывать стабильные феноксильные радикалы (свойство, которое разделяют ароматические соединения, содержащие o-дигидроксильные группы или близкие гидроксильные и карбонильные группы) [ 9 , 20 , 30 ]. Флавоны и флаван-3-олы наиболее эффективны против активных форм кислорода [ 30 ].
Сорок восемь стабильных конформеров кверцетина недавно были обнаружены благодаря вращению их пяти гидроксильных групп и колец AC и B, а дипольный момент конформеров варьируется в пределах 0,35–9,87 Д [ 31 ]. Ранее мы предположили, что связь C2 = C3 в кольце C определяет плоскую геометрию кверцетина, а также его семихиноновых радикалов и хинонов как оптимальных форм в вакууме [ 14 ]. Аналогичным образом Erkos et al. описали стабильную конформацию кверцетина как плоскую [ 22 ]. Кверцетин плоская структура ( в соответствии с нашей оптимизацией геометрии AM1) является оптимальным для делокализации AB и C кольцо электронных орбиталей (рис. 2). Молекулы катехина и нарингенина без двойной связи С2 = С3 в С-кольце не имели планарной структуры (рис. 1 , табл. 1 ). Напротив, предполагалось, что в молекуле катехина внутримолекулярная водородная связь размещает кольца B, A и C в одной плоскости [ 2 ]. Дипольный момент определяет ориентацию молекул во время взаимодействия и скорость взаимодействия [ 22 ]. Согласно нашим расчетам, дипольные моменты сильно поляризуемого кольца AC и кольца B имеют противоположные направления в молекуле кверцетина (данные не показаны); следовательно, кверцетин имеет самый низкий дипольный момент по сравнению с двумя другими флавоноидами, молекула неполярна и обладает низкой растворимостью в воде (Таблица 1 ,3 ). Ранее Расулев и соавт. рассчитали дипольный момент для кверцетина как μ = 2,41 Д [ 20 ], тогда как согласно Эркосу и др. этот параметр составляет 3,013 Д [ 22 ].
Отрицательный избыточный заряд на группах ОН, а также на кольцах кверцетина и его радикалов может играть доминирующую роль в их реакциях с радикалами и биологической активности [ 22]. Рассчитанные избыточные отрицательные заряды в наших экспериментах позволили предположить, что группы ОН, расположенные в положениях 3′- и 7-в кверцетине, в положении 4′- в нарингенине и в положениях 5- и 7- в катехине, были наиболее значимыми. вероятные места отрыва атома водорода при радикальном восстановлении. Zhu et al. предположил, что антиоксидантная (улавливающая радикалы) активность флавоноидов напрямую коррелировала с расчетной энергией отрыва водорода фенольных гидроксильных групп (энтальпия диссоциации связи, BDE), а порядок активности некоторых флавоноидов по улавливанию свободных радикалов был: кверцетин> катехин> лютеолин > таксифолин> кемпферол> апигенин [ 1]. Авторы показали, что группы 3'-ОН и 4'-ОН обладают наименьшими БДЭ в случае кверцетина. Точно так же спиновая плотность 4'-ОН группы кверцетина была тесно связана с его антиоксидантной активностью [ 1 ]. Самые низкие БДЭ и самые высокие избыточные отрицательные заряды 3'-ОН группы кверцетина и 4'-ОН группы нарингенина позволяют предположить, что эти группы являются наиболее реактивными центрами этих молекул флавоноидов. Было высказано предположение, что удаление атома H на гидроксильной группе в положении C-4 'кольца B кверцетина дает наиболее реактивный радикал [ 22 ].
Наш расчет показывает, что абсолютные значения теплоты образования флавоноидов возрастают в порядке нарингенин <катехин <кверцетин в соответствии со стабильностью молекулы. Напротив, ранее было показано, что величина теплоты образования отрицательно коррелирует с антиоксидантной активностью полифенолов [ 32 ]. Энергия НСМО флавоноидов уменьшалась в порядке катехин> нарингенин> кверцетин, а энергия ВЗМО снижалась в порядке кверцетин> катехин> нарингенин (Таблица 1). Кверцетин имеет самое высокое значение энергии HOMO; таким образом, кверцетин является лучшим донором электронов среди исследованных флавоноидов (обладает самым высоким восстановительным потенциалом). Точно так же кверцетин имеет самое низкое значение энергии НСМО и является лучшим акцептором электронов. Области наибольшей плотности карты ВЗМО (рис. 2 ) предпочтительны для электрофильной атаки. Создание карт электронной плотности в кверцетине (и в радикале кверцетина) показало, что двойная связь C2 = C3 в C-кольце кверцетина (отсутствует в катехине и нарингенине) обеспечивает планарность и оптимальную делокализацию электронных орбиталей (HOMO) на всех фенольных соединениях. кольца в кверцетине (а не в катехине и нарингенине) молекулы (рис. 2). Система сопряженных связей в молекулах полифенолов должна делокализовать электронную плотность и стабилизировать образующиеся переходные семихиноновые радикалы кверцетина.
В наших экспериментах флавонол кверцетин был более мощным антиоксидантом по сравнению с флаван-3-олом (+) - катехином и флаваноном нарингенином. Кверцетин продемонстрировал гораздо более высокую кажущуюся константу скорости реакции и более низкую энергию активации восстановления DPPH по сравнению с катехином, а нарингенин не реагировал с радикалом DPPH. Одна молекула флавоноида была израсходована на восстановление одного радикала DPPH в условиях наших экспериментов (таблица 3 ). Было показано, что при избытке флавоноидов при восстановлении DPPH стехиометрия для флавоноидов с одной гидроксильной группой составляет 1: 1, а для флавоноидов с двумя гидроксильными группами в кольце B - 1: 2 [ 33 ]. IC 50были определены значения взаимодействий флавоноидов с DPPH. Они составляли 5,06 ± 0,08 мкМ для катехина и 4,36 ± 0,10 мкМ для кверцетина [ 1 ]. Энергия активации восстановления DPPH выше по сравнению с энергией активации диффузии, следовательно, не каждое столкновение между реагентами приведет к восстановлению DPPH.
Автоокисление флавоноидов - одна из основных реакций образования АФК флавоноидами. Ранее было высказано предположение, что за моноэкспоненциальной кинетикой первого порядка ( k = 6.45 × 10 -2 M -1 с -1 ) автоокисления кверцетина, указывающей на одноэлектронное окисление аниона кверцетина, следуют две быстрые стадии радикального диспропорционирования и растворителя. дополнение к образующемуся хинону. Основными продуктами автоокисления кверцетина (а также ферментативного, химического и электрохимического окисления) являются депсид, фенольные кислоты и аддукты кверцетина и растворителя [ 34]. Энергии активации автоокисления кверцетина и катехина были выше, чем при взаимодействии флавоноидов с DPPH. В наших экспериментах нарингенин не уменьшал DPPH и не подвергался самоокислению, но эффективно взаимодействовал с хлорноватистой кислотой. Низкая улавливающая активность нарингенина, вероятно, связана с отсутствием в молекуле двух близких гидроксильных групп или гидроксильной и карбонильной групп. Ранее мы наблюдали значительное ингибирование перекисного окисления мембранных липидов под действием нарингенина, но его эффективность была значительно ниже по сравнению с кверцетином или катехином [ 14 ]. Автоокисление флавоноидов и хлорирование приводили к аналогичным спектральным изменениям, хотя продукты этих реакций были разными (рис. 5 , 6)., 7 ).