Cơ chế kháng oxy hóa của các polyphenols

- CƠ CHẾ KHÁNG OXY HÓA CỦA CÁC POLYPHENOLS Phạm Vũ Nhật.
- Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) với phiếm hàm B3LYP và bộ cơ sở 6- 311++G(d,p) được sử dụng để đánh giá hoạt tính kháng oxy hóa của baicalein, một polyphenol thuộc nhóm flavonoid.
- Những tính toán được thực hiện trong pha khí và trong một số dung môi có tính phân cực khác nhau như benzene, ethanol và nước.
- Các kết quả thu được góp phần làm sáng tỏ cơ chế kháng oxy hóa của các polyphenol đồng thời cung cấp lý thuyết cơ sở cho các nghiên cứu có liên quan trong tương lai..
- Cơ chế kháng oxy hóa của các polyphenols.
- Trong nhiều nguyên nhân gây ra bệnh tật thì sự hiện diện quá mức và mất cân đối của các gốc tự do (free radical) có thể gây ra nhiều bệnh lý nguy hiểm.
- Gốc tự do rất không ổn định, hoạt động mạnh và luôn có xu hướng chiếm đoạt điện tử của các cấu trúc lân cận, tạo ra hàng loạt gốc tự do mới, quá trình diễn ra theo một phản ứng dây chuyền.
- Sự tấn công của các gốc tự do gây ra rất nhiều bệnh khác nhau, thí dụ như thoái hóa thần kinh, đau nửa đầu, đột quỵ, thoái hóa võng mạt, điểm vàng, đục thủy tinh thể, lão hóa da, ảnh hưởng tới hệ miễn dịch, xơ hóa cơ tim, mạch máu, cao huyết áp, rối loạn chức năng tế bào nội mô (Abheri et al., 2010.
- Thông thường, cơ thể chúng ta có khả năng điều hòa quá trình oxy hóa và duy trì hàm lượng gốc tự do ở mức độ cho phép nên cơ thể vẫn khỏe mạnh..
- Nhưng sự gia tăng đột ngột các tác động từ bên ngoài sẽ phá vỡ sự ổn định quá trình oxy hóa và khả năng tự “thu dọn” các gốc tự do của cơ thể, và do đó sẽ dẫn tới các tình trạng bệnh lý.
- Bên cạnh khả năng tự chống oxy hóa của cơ thể, từ lâu, con người đã biết và sử dụng bổ sung các vitamin A, C, E và đặc biệt là các polyphenol tự nhiên như những chất chống oxy hóa hữu hiệu.
- Sự tương tác giữa các gốc tự do và chất kháng oxy hóa là yếu tố quan trọng trong việc duy trì sức khỏe.
- Sự tăng các gốc tự do dẫn đến sự mất cân bằng oxy hóa trong cơ thể, nếu quá trình tạo ra gốc tự do vượt quá tác dụng bảo vệ của các chất kháng oxy hóa sẽ dẫn đến các bệnh liên quan đến lão hóa (Khalid, 2007)..
- Khả năng kháng oxy hóa của các polyphenol do đó thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa.
- Hiện nay, hoạt tính kháng oxy hóa thường được đánh giá dựa vào khả năng làm mất màu gốc tự do bền như 2,2- diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH).
- Phản ứng với DPPH rất nhạy cảm với điều kiện thí nghiệm, thí dụ như nồng độ của DPPH cũng như của chất kháng oxy hóa, bản chất của dung môi, nhiệt độ, thời gian và pH dung dịch.
- Trong khi đó, về nguyên tắc, hoạt tính kháng oxy hóa của một hợp chất có thể được đánh giá một cách định lượng dựa vào các mô hình tính toán hóa học lượng tử.
- Hơn nữa, thông qua các mô hình tính toán, chúng ta sẽ có cái nhìn sâu hơn về các cơ chế, bản chất của mỗi cơ chế và các đại lượng nhiệt động đặc trưng cho mỗi cơ chế..
- 2 CÁC CƠ CHẾ KHÁNG OXY HÓA Theo Leopoldini et al (2011), quá trình kháng oxy hóa của các hợp chất phenolic có thể diễn ra theo cơ chế (i) HAT (hydrogen atom transfer).
- Các quá trình trên được tóm tắt như sau:.
- b) SET-PT: R.
- Trong cơ chế chuyển nguyên tử HAT, chất kháng oxy hóa (ArOH) phản ứng trực tiếp với gốc tự do (R.
- tạo phân tử bền RH thông qua quá trình phân ly liên kết O–H.
- Hoạt tính của ArOH do đó được quyết định bởi năng lượng phân ly liên kết O–.
- Cơ chế chuyển electron – chuyển proton (SET- PT) gồm hai giai đoạn: tách electron cho ArOH.
- theo sau là quá trình trao đổi proton.
- Trong trường hợp này, hợp chất có năng lượng ion hóa và năng lượng tách proton càng nhỏ, hoạt tính kháng oxy hóa càng mạnh.
- Đối với cơ chế mất proton – chuyển electron (SPLET), ái lực proton và enthalpy trao đổi electron của anion ArO – đóng vai trò quyết định..
- Như vậy, hoạt tính kháng oxy hóa của một hợp chất có thể được đánh giá thông qua các tham số nhiệt động như năng lượng phân ly liên kết (BDE), năng lượng ion hóa (IP), năng lượng tách proton (PDE), ái lực proton (PA) và enthalpy trao đổi electron (ETE).
- Trong đó, E(X) là năng lượng tối ưu của cấu tử X.
- –0,49765 hartree là năng lượng của nguyên tử H (khí) ở trạng thái cơ bản.
- Đối với các phép tính trong dung môi nước, các giá trị sau đây được sử dụng E hydr (H.
- Các giá trị năng lượng E(X) đã bao gồm năng lượng điểm không ZPE (zero-point energy) và sự hiệu chỉnh nhiệt lên enthalpy (thermal correction to enthalpy)..
- Cấu trúc và năng lượng của các cấu tử trung hòa cũng như các gốc tự do, các cation và anion tương ứng được tối ưu hóa ở mức lý thuyết B3LYP/6- 311++G(d,p).
- 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) và để hiệu chỉnh các giá trị nhiệt động.
- Để thu được kết quả tính toán gần với thực tế hơn, sự ảnh hưởng của dung môi cũng được khảo sát dựa vào mô hình phân cực liên tục phương trình tích phân (Integral Equation Formalism Polarizable Continuum Model − IEFPCM)..
- Đây là một chất kháng oxy hóa tự nhiên điển hình và được xếp vào nhóm dưỡng chất thiết yếu cho các hệ thống sinh lý và quá trình phục hồi sức khỏe.
- Hoạt tính sinh hóa và sinh lý của nó đã được công nhận rộng rãi và là đối tượng của nhiều nghiên cứu gần đây (Massaro et al., 2016).
- Tuy nhiên, do chứa nhiều nhóm OH, việc nghiên cứu cơ chế kháng oxy hóa của baicalein là rất phức tạp nếu chỉ sử dụng các phương pháp thực nghiệm..
- Bảng 1: Năng lượng phân ly liên kết BDE (kcal/mol) của baicalein tính tại mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(d,p).
- Vị trí OH Dung môi.
- Pha khí Benzene Ethanol Nước.
- Để tìm hiểu cơ chế kháng oxy hóa của baicalein, trước hết chúng ta tính biến thiên năng lượng của quá trình hình thành các sản phẩm trung gian như.
- gốc tự do, anion hóa trị 1.
- Trong cơ chế HAT, phân tử quercetin (ArOH) sẽ chuyển cho gốc tự do một nguyên tử H linh động của nhóm OH, hình thành gốc tự do ArO.
- Tiếp theo, gốc tự do ArO • có thể chuyển thêm một nguyên tử H ở những vị trí OH khác để tạo thành quinone, hay phản ứng với gốc tự do khác để tạo nên sự ổn định của chính nó.
- Gốc tự do càng bền, sự phân ly liên kết càng dễ xảy ra và hoạt tính kháng oxy hóa càng mạnh.
- Bảng 1 liệt kê các giá trị BDE của các nhóm OH ở các vị trí khác nhau được tính tại mức lý thuyết B3LYP/6- 311+G(d,p) trong pha khí và trong một số dung môi khác..
- Bacalein Gốc tự do R6 (69,4).
- Gốc tự do R7 (79,4) Gốc tự do R5 (82,8).
- Hình 2: Cấu trúc của baicalein và của các gốc tự do tương ứng được tối ưu ở mức lý thuyết B3LYP/6- 311++G(d,p).
- Giá trị trong dấu ngoặc đơn là năng lượng phân ly liên kết BDE (kcal/mol) Bảng 1 cho thấy vị trí tách nguyên tử H thuận lợi.
- Khi hình thành gốc tự do ở vị trí số 6 (Hình 2) sẽ tạo được hai liên kết H giữa OH(5) và O(4), OH(7) và O(6).
- Các gốc tự do hình thành ở hai vị trí còn lại (R5 và R7, Hình 2) không xuất hiện 2 liên kết H như trên nên kém bền hơn.
- Độ dài các liên kết H trong các gốc tự do baicalein được thể hiện trên Hình 2.
- Nếu xét đến sự ảnh hưởng của dung môi ta thấy giá trị BDE tăng dần theo thứ tự khí <.
- Giá trị BDE trong nước là nhỏ nhất, phù hợp với tính phân cực mạnh của môi trường.
- Điều này có thể giải thích do liên kết H hình thành giữa phân tử nước và.
- Tiếp theo, chúng ta xét cơ chế SET-PT (chuyển electron – chuyển proton) gồm hai giai đoạn.
- Trước hết, một electron của chất kháng oxy hóa ArOH được tách ra và chuyển cho gốc tự do, hình thành gốc tự do cation ArOH.
- tiếp theo là quá trình trao đổi proton.
- Trong trường hợp này, năng lượng ion hóa (IE) và năng lượng tách proton (PDE) quyết định khả năng kháng oxy hóa của hợp chất.
- Với giá trị IE càng nhỏ, sự tách electron càng dễ xảy ra..
- Bảng 2 liệt kê các giá trị IE, PDE của baicalein tính trong pha khí và trong một số dung môi khác..
- Bảng 2: Giá trị IE, PDE (kcal/mol) của baicalein tính tại mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(d,p).
- Vị trí OH IE PDE IE + PDE IE + PDE.
- Các giá trị IE, PDE cũng như tổng IE + PDE trong Bảng 2 cho thấy vị trí OH số 6 cũng là dễ tách proton nhất.
- Ngoài ra, tổng IE + PDE trong pha khí là khá lớn và giảm dần theo chiều tăng độ phân cực của dung môi.
- Điều này chứng tỏ dung môi càng.
- phân cực thì phản ứng kháng oxy hóa của các hợp chất nghiên cứu càng dễ xảy ra theo cơ chế SET-PT..
- Dung môi nước có tổng IE + PDE nhỏ nhất trong các dung môi nghiên cứu, chứng tỏ trong nước khả năng kháng oxy hóa của các flavonoid theo cơ chế SET-PT là tốt nhất..
- Bảng 3: Giá trị PA và ETE (kcal/mol) của anion ArO – thuộc baicalein tính trong các môi trường khác nhau tại mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(d,p).
- Vị trí OH Ái lực proton PA Năng lượng trao đổi electron ETE Pha khí Benzene Ethanol Nước Pha khí Benzene Ethanol Nước.
- Đối với cơ chế mất proton – chuyển electron (SPLET), ái lực proton (PA) và năng lượng trao đổi electron (ETE) của anion ArO – đóng vai trò quyết định.
- Trong cơ chế này, đầu tiên xảy ra quá trình phân cắt dị ly nhóm OH để hình thành anion ArO và giải phóng một proton.
- Trong bước tiếp theo, anion ArO được sinh ra từ bước đầu tiên sẽ chuyển một electron để tạo gốc tự do ArO.
- Các giá trị PA và ETE của hợp chất nghiên cứu được tóm tắt trong Bảng 3..
- Bảng 4: Tổng giá trị PA + ETE của baicalein trong các môi trường khác nhau tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(d,p) Vị trí.
- Pha khí Benzene Ethanol DMSO Nước.
- Bảng 3 cho thấy ái lực proton PA thấp nhất vẫn là nhóm OH ở vị trí số 7, ứng với vị trí phân ly proton thuận lợi nhất.
- Ngoài ra, giá trị PA trong pha khí cao hơn trong các môi trường khác rất nhiều và giảm gần như tuyến tính theo chiều tăng của hằng số điện môi.
- Dung môi nước ảnh hưởng mạnh đến việc làm giảm các giá trị của PA vì sự solvate hóa ion H + giải phóng khá nhiều năng lượng.
- Giá trị PA là 323 kcal/mol so với giá trị 29,6 và 17,3 kcal/mol trong dung môi ethanol và nước.
- Dung môi càng phân cực càng làm ổn định các phần tử mang điện như anion ArO và cation H.
- Trong khi đó, giá trị ETE có xu hướng tăng dần khi chuyển từ pha khí vào dung môi ethanol.
- Tuy nhiên, trong dung môi nước giá trị này.
- Điều này chứng tỏ trong dung môi phân cực mạnh hơn quá trình chuyển electron của anion dễ dàng hơn trong các dung môi kém phân cực hơn..
- So sánh các giá trị nhiệt động của hai cơ chế SET-PT và SPLET ta thấy tổng IE + PDE (Bảng 2) ở cơ chế chuyển electron – chuyển proton và tổng PA + ETE (Bảng 4) ở cơ chế mất proton – chuyển electron gần như là bằng nhau.
- Điều này hoàn toàn hợp lý bởi vì hai cơ chế SET-PT và SPLET là hai con đường khác nhau của một dạng cơ chế tổng quát là cơ chế chuyển electron (SET).
- Kết quả của phản ứng theo cơ chế này là một electron sẽ được chuyển từ chất kháng oxy hóa sang gốc tự do để khử gốc tự do đó.
- Sự khác nhau giữa các giá trị nhiệt động trong các môi trường khác nhau đặc trưng cho các phản ứng liên quan đến những phần tử mang điện tích..
- Hoạt tính kháng oxy hóa của các polyphenol có thể được đánh giá một cách định lượng dựa vào các đại lượng nhiệt động như năng lượng phân ly liên kết O-H (BDE), năng lượng ion hóa (IE) với năng lượng phân ly proton (PDE), ái lực proton (PA) và năng lượng chuyển electron (ETE).
- Kết quả tính toán trên baicalein cho thấy hoạt tính kháng oxy hóa phụ thuộc vào môi trường phản ứng: mạnh nhất trong nước và kém nhất trong pha khí.
- Trong pha khí và dung môi không phân cực, cơ chế chuyển nguyên tử (HAT) được ưu tiên.
- Ngược lại, trong dung môi phân cực, cơ chế chuyển electron (SET- PT, SPLET) được ưu tiên hơn.
- Trong từng cơ chế kháng oxy hóa, vị trí O−H liên quan đến quá trình bắt giữ gốc tự do cũng được xác định.
- đối với baicalein, OH số 6 là vị trí kháng oxy hóa tiềm năng nhất.