DOI: https://doi.org/10.22263/2312-4156.2020.5.27
Вейко А.Г.
Молекулярная структура, квантово-химические параметры, механизм цитопротекторного действия и вклад функциональных групп в антиоксидантный потенциал флавоноидов
Гродненский государственный университет им. Янки Купалы, г. Гродно, Республика Беларусь
Вестник ВГМУ. – 2020. – Том 19, №5. – С. 27-39.
Резюме.
Известно, что многочисленные заболевания (воспаление, диабет, сосудистые поражения и др.) связаны с повышенным уровнем окислительного стресса и, как следствие, с многочисленными метаболическими нарушениями. В связи с этим в биохимии, медицине и фармации продолжается поиск эффективных и в то же время безопасных синтетических и натуральных антиоксидантов для профилактики патологий, опосредованных повышенным уровнем окислительных процессов и активных форм кислорода (АФК). Растительные компоненты, такие как флавоноиды, способны оказывать выраженный антиоксидантный эффект, проявлять благоприятные фармакологические и биохимические эффекты.
В настоящем исследовании проведена сравнительная оценка квантово-химических параметров и антиоксидантной активности ряда флавоноидов различных классов (катехин, кверцетин, нарингенин), отличающихся молекулярной структурой и имеющих различные функциональные группы в модельной системе.
Флавониды препятствовали развитию пероксидации липидов мембран эритроцитов крыс, индуцируемой трет-бутилгидропероксидом (ТБГП). Эффективная концентрация IC50 ингибирования этого процесса равна: в случае кверцетина 9,74±0,8 мкМ, катехина 8,84±0,7 мкМ, нарингенина 46,8±4,4 мкМ. Флавоноиды также частично ингибировали окисление глутатиона в цитоплазме эритроцитов.
В статье представлен анализ химических структур флавоноидов катехина, кверцетина, нарингенина на основе молекулярного моделирования и квантово-химических расчетов.
Полученные данные можно применять для оценки биологического потенциала молекул, имеющих схожие функциональные группы и структурные особенности, и при проведении фармакологического скрининга биологически активных соединений.
Ключевые слова: флавоноиды, молекулярная структура, квантовая химия, функциональные группы, антиоксиданты.
Литература
1. Clinical relevance of biomarkers of oxidative stress / J. Frijhoff [et al.] // Antioxid. Redox Signal. – 2015 Nov. – Vol. 23, N 14. – P. 1144–1170.
2. Griendling, K. K. Oxidative stress and cardiovascular injury: Part I: basic mechanisms and in vivo monitoring of ROS / K. K. Griendling, G. A. FitzGerald // Circulation. – 2003 Oct. – Vol. 108, N 16. – P. 1912–1916.
3. Ischiropoulos, H. Oxidative stress and nitration in neurodegeneration: cause, effect, or association? / H. Ischiropoulos, J. S. Beckman // J. Clin. Invest. – 2003 Jan. – Vol. 111, N 2. – P. 163–169.
4. Ceriello, A. Oxidative stress and diabetes-associated complications / A. Ceriello // Endocr. Pract. – 2006 Jan-Feb. – Vol. 12, suppl. 1. – P. 60–62.
5. eNOS uncoupling in cardiovascular diseases-the role of oxidative stress and inflammation / S. Karbach [et al.] // Curr. Pharm. Des. – 2014. – Vol. 20, N 22. – P. 3579–3594.
6. Reactive oxygen species: from health to disease / K. Brieger [et al.] // Swiss Med. Wkly. – 2012 Aug. – Vol. 142. – w13659.
7. Antidepressant Flavonoids and Their Relationship with Oxidative Stress / L. Hritcu [et al.] // Oxid. Med. Cell. Longev. – 2017. – Vol. 2017. – P. 1–18.
8. Winkel-Shirley, B. Flavonoid Biosynthesis. A Colorful Model for Genetics, Biochemistry, Cell Biology, and Biotechnology / B. Winkel-Shirley // Plant Physiol. – 2001 Jun. – Vol. 126, N 2. – P. 485–493.
9. Novel O-alkyl Derivatives of Naringenin and Their Oximes with Antimicrobial and Anticancer Activity / J. Kozłowska [et al.] // Molecules. – 2019 Feb. – Vol. 24, N 4. – P. 679.
10. Fuhr, U. Inhibitory effect of grapefruit juice and its bitter principal, naringenin, on CYP1A2 dependent metabolism of caffeine in man / U. Fuhr, K. Klittich, A. H. Staib // Br. J. Clin. Pharmacol. – 1993 Apr. – Vol. 35, N 4. – P. 431–436.
11. Hernández-Aquino, E. Beneficial effects of naringenin in liver diseases: Molecular mechanisms / E. Hernández-Aquino, P. Muriel // World J. Gastroenterol. – 2018 Apr. – Vol. 24, N 16. – P. 1679–1707.
12. Mangels, D. R. Catechins as potential mediators of cardiovascular health / D. R. Mangels, E. R. Mohler // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. – 2017 May. – Vol. 37, N 5. – С. 757–763.
13. Bernatoniene, J. The Role of Catechins in Cellular Responses to Oxidative Stress / J. Bernatoniene, D. M. Kopustinskiene // Molecules. – 2018 Apr. – Vol. 23, N 4. – P. 965.
14. Abdelkawy, K. S. A new validated HPLC method for the determination of quercetin: Application to study pharmacokinetics in rats / K. S. Abdelkawy, M. E. Balyshev, F. Elbarbry // Biomed. Chromatogr. – 2017 Mar. – Vol. 31, N 3. – e3819.
15. Eid, H. M. The Antidiabetic Potential of Quercetin: Underlying Mechanisms / H. M. Eid, P. S. Haddad // Curr. Med. Chem. – 2017. – Vol. 24, N 4. – P. 355–364.
16. D’Andrea, G. Quercetin: A flavonol with multifaceted therapeutic applications? / G. D’Andrea // Fitoterapia. – 2015 Oct. – Vol. 106. – P. 256–271.
17. Investigation of the anti-cancer effect of quercetin on HepG2 cells in vivo / J. Zhou [et al.] // PLoS One. – 2017 Mar. – Vol. 12, N 3. – e0172838.
18. Bioactivity In Vitro of Quercetin Glycoside Obtained in Beauveria bassiana Culture and Its Interaction with Liposome Membranes / P. Strugała [et al.] // Molecules. – 2017 Sep. – Vol. 22, N 9. – P. 1520.
19. Вейко, А. Г. Компьютерное моделирование структуры и свойств биологически активных соединений и лекарственных препаратов. Фармакология in silico / А. Г. Вейко // Новости мед.-биол. наук. – 2019. – Т. 19, № 3. – С. 117–132.
20. Stocks, J. The autoxidation of human red cell lipids induced by hydrogen peroxide / J. Stocks, T. L. Dormandy // Br. J. Haematol. – 1971 Jan. – Vol. 20, N 1. – P. 95–111.
21. Akerboom, T. P. Assay of glutathione, glutathione disulfide, and glutathione mixed disulfides in biological samples / T. P. Akerboom, H. Sies // Methods Enzymol. – 1981. – Vol. 77. – P. 373–382.
22. Chemistry Software, HyperChem, Molecular Modeling [Electronic resource]. – Mode of access: http://www.hyper.com/. – Date of access: 27.10.2020.
23. Onishi, T. Quantum Computational Chemistry: Modelling and Calculation for Functional Materials / T. Onishi. – Singapore : Springer, 2018. – 290 p.
24. Babaie-Kafaki, S. A descent extension of the Polak–Ribière–Polyak conjugate gradient method / S. Babaie-Kafaki, R. Ghanbari // Comput. Math. Appl. – 2014 Dec. – Vol. 68, N 12, part A. – P. 2005–2011.
25. Campbell, M. J. Medical Statistics: A Textbook for the Health Sciences / M. J. Campbell, D. Machin, S. J. Walters. – Hoboken, NJ, United States : John Wiley & Sons, 2010. – 347 p.
26. The Effect of tert-Butyl Hydroperoxide-Induced Oxidative Stress on Lean and Steatotic Rat Hepatocytes In Vitro / O. Kučera [et al.] // Oxid. Med. Cell. Longev. – 2014. – Vol. 2014. – 752506.
27. Enami, S. Fenton chemistry at aqueous interfaces / S. Enami, Y. Sakamoto, A. J. Colussi // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. – 2014 Jan. – Vol. 111, N 2. – P. 623–628.
28. Antioxidant and Antidiabetic Effects of Flavonoids: A Structure-Activity Relationship Based Study / M. N. Sarian [et al.] // Biomed. Res. Int. – 2017. – Vol. 2017. – 8386065.
29. Antioxidant and Pro-Oxidant Effects of Polyphenolic Compounds and Structure-Activity Relationship Evidence / E. G. Yordi [et al.] // Nutrition, well-being and health / ed.: J. Bouayed, T. Bohn. – Rijeka : InTech; 2012. – P. 23–48.
30. Preparation and Physicochemical Properties of the Complex of Naringenin with Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin / J. Wen [et al.] // Molecules. – 2010 Jun. – Vol. 15, N 6. – P. 4401–4407.
31. Solubility of Gallic Acid, Catechin, and Protocatechuic Acid in Subcritical Water from (298.75 to 415.85) K / K. Srinivas [et al.] // J. Chem. Eng. Data. – 2010. – Vol. 55, N 9. – P. 3101–3108.
32. Investigation of the membrane localization and distribution of flavonoids by high-resolution magic angle spinning NMR spectroscopy / H. A. Scheidt [et al.] // Biochim. Biophys. Acta (BBA) – Biomembr. – 2004 May. – Vol. 1663, N 1/2. – P. 97–107.
33. Квантово-химическое моделирование электронной структуры кверцетина и ингибирование кверцетином и комплексом кверцетин-гидроксипропил-β-циклодекстрин перекисного окисления липидов в митохондриях и эритроцитах крыс / А. Г. Вейко [и др.] // Изв. Нац. акад. наук Беларуси. Сер. биол. наук. – 2018. – Т. 63, № 4. – С. 500–512.
34. Кинетика пероксидазного окисления кверцетина в присутствии Р-циклодекстрина / Л. И. Олейник [и др.] // Вест. Моск. ун-та. Сер. 2, Химия. – 2011. – Т. 52, № 3. – С. 199–203.
Сведения об авторах:
Вейко А.Г. – аспирант кафедры биохимии, Гродненский государственный университет им. Янки Купалы.
Адрес для корреспонденции: Республика Беларусь, 230030, г. Гродно, б-р Ленинского Комсомола, 50, Гродненский государственный университет им. Янки Купалы, кафедра биохимии. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. – Вейко Артем Геннадьевич.
