Резюме. Радикал-улавящата активност на едно вещество определя в голяма степен неговата антиоксидантна активност, но между двете не бива да се поставя знак на равенство. Квантово-химичният подход е един широко използван подход за изучаване на тази активност. В тази статия са описани основните механизми на взаимодействие между радикали и радикал-уловители и свързаните с тях квантовохимични дескриптори. Очертани са също основните предимства и недостатъци на този подход, както и перспективите за използването му в бъдеще.

Ключови думи: radical-scavenging, antioxidant, quantum-chemistry, reaction mechanisms

Увод

Даже в хода на нормалните окислителни процеси във висшите организми се по-лучават високореактивноспособни кислород-съдържащи реагенти (reactive oxygen species), които участват в нежелани химични реакции в клетките. Най-често това са радикали (активни радикали) – съдържащи несдвоен електрон.

Казва се, че организмът се намира в състояние на оксидативен стрес, когато концентрацията на тези активните радикали в организма е по-високa от нормалното и това състояние се свързва с процесите на стареенето, канцерогенезата, възникването на сърдечно-съдови заболявания, появата на проблеми със зрението, болестта на Алцхаймер и т. н. (Helmut, 1997; Pryor, 2000).

Извеждане от състояние на оксидантивен стрес може стане със собствени за организма (ендогенни) средства или с помощта на храни, хранителни добавки или лекарства - (екзогенни) средства, които се наричат антиоксиданти.

Антиоксидантите са вещества, които успяват да понижат количеството на свободни радикали във висшите организми, като с това оказват благоприятен ефект върху тях. Това понижение може да се реализира чрез директно взаимодействие с активните радикали в клетката, регулиране активността на различни ензими и метални йони.

Тук ще разгледаме антиоксидантите от първата група, които заради способността им лесно да реагират с радикали се наричат още радикал-уловители (radicalscavengers).

Една често допускана грешка, даже в специализираната литература е, че и обратното се приема за вярно, а не всички радикал-уловители имат благоприятен ефект върху организма и следователноне могат да бъдат наречени антиоксиданти, въпреки способността им да реагират лесно с радикали. Освен това, както вече казахме, понижаване количеството на активните радикали в организмите може да бъде постигнато и по други начини, а и способността на антиоксидантите да проникват в клетките и да се разпространяват в тях е важна.

Радикал-уловители са и голяма част от стабилизаторите, които се използват за запазване на храни, лекарствени средства, полимерни материали, масла, горива и др. от окисление и загуба на експлоатационни свойства.

Наложено е схващането, че радикал-уловителите с природен произход са и безспорни антиоксиданти, докато за синтетичните обикновено се говори като за вредни вещества, които трябва да бъдат избягвани или направо забранени за използване, което е абсурдно. По-точно е да се каже, че безконтролното използване както на природните, така и на синтетични радикал-уловители, може да има неблагоприятно въздействие върху организма, но токсичността на синтетичните радикал-уловители обикновено е по-висока.

Механизми на реакцията

Различни експериментални и теоретични методи се използват за оценка способността на едно вещество да влиза в реакция с радикали. Един от най-широко използваните теоретични методи за изследване на радикал-улавяща активност е квантово-химичният. Той придоби голяма популярност в изследването на радикал-улавяща активност след навлизането на хибридния Becke-Lee-Yang-Parr DFT (Density-Functional Theory) функционал (Parr & Yang, 1989). DFT методите отчитат електронната корелация, което е необходимо условие за изчисления на преходни състояния и здравини на връзки, а не изискват огромни изчислителни ресурси, както пертурбационните методи.

Нашият собствен опит в тази област показва, че получените по този начин резултати са достатъчно надеждни и водят до извеждането на важни закономерности (Velkov et al., 2007a; 2007b; Velkov & Tadjer, 2007; Velkov et al., 2008; Velkov et al., 2009; Velkov, 2009; Georgiev et al., 2011; Stoianova & Velkov, 2013; Todorova et al., 2013).

Намерени са доказателства (Evans et al., 1992; Nagaoka et al., 1992; Mukai et al., 1992; Van Acker et al., 1996) за четири различни механизми на реакцията между радикали и радикали-уловители (Fig. 1):

(i) Трансфер на електрон от антиоксиданта към радикала, в резултата на което той се превръща в катион-радикал, а активния радикал в анион. След това се пренася протон от катион-радикала към аниона.

(ii) Директен трансфер на водороден атом от антиоксиданта към радикала.

(iii) Депротониране на антиоксиданта, последвано от електронен трансфер от получения анион към активния радикал и улавяне на протона.

(iv) Някои автори (Mayer et al., 2002; DiLabio & Johnson, 2007; Tischenko et al., 2008) отделят четвърти механизъм при фенолните антиоксиданти: протонсвързан електронен трансфер. В него радикалът (R•) има една или повече несподелени електронни двойки при същия атом, при който се намира и несдвоения електрон. Несподелената електронна двойка на радикала формира водородна връзка с водородния атом от фенолната хидроксилна връзка. Тази водородна връзка улеснява преноса на протона към радикала и заедно с него се пренася електрон от несподелената електронна двойка на аниона към орбиталата на радикала, носеща единичния електрон.

Така формулираните механизми на реакцията между радикал-уловител и радикал дават възможност да бъде оценена радикал-улавящата активност на едно съединение.

При това оценката може да бъде направена както според квантово-химични, така и според чисто експериментални резултати: енталпията на дисоциация на връзката О-Н (BDE), която се дисоцира хомолитично по време на реакцията, енергията на най-високата заета отбитала (ЕHOMO), спинова плътност и др. Дескрипторите на радикал-улавящата активност могат да бъдат групирани така:

1) Индекси, описващи здравината на О-Н връзката – енталпия на дисоциация на връзката (BDE), дължина на връзката, разпределение на заряди и др. (Korzekwa et al., 1990).

2) Параметри, представящи електронодонорните свойства на молекулата или аниона й - йонизационен потенциал (IP) или неговия квантов-химичен аналог енергията на HOMO (Koopmans, 1934). Към тази група трябва да се добавят параметрите определящи способността на молекулата на антиоксиданта или нейния катион-радикал да се депротонира.

3) Индекси, показващи стабилността на получаващите се радикали или катионрадикали (Ar-O×), независимо от механизма, по който те са получени – разпределение на спиновата плътност, дължина на връзката С-О в радикала и др. (Cheng et al., 2003).

Първата група дескриптори се свързват с бимолекулния, едноетапен механизъм (ii). Втората група дескриптори, описващи електроно-донорните (и протонодонорните) свойства на антиоксиданта насочват към възможността да се реализират механизмите (i), (iii) и (iv). Tретата група дескриптори не носят информация за механизъма на протичане на реакцията, а за степента й на протичане.

Съпоставянето на дескрипторите от горните три типа по правило дава добра корелация само с данни за радикал-улавяща, но не и с антиоксидантна активност (Zhang et al., 2000)..

Това най-напред се дължи на факта, че както вече казахме, антиоксидантната активност и радикал-улавяща активност не са едно и също. Освен от способността за встъпване в химична реакция с радикалите, антиоксидантната активност зависи още от способността на веществото да проникне в клетката, от способността му да координира метални йони и от ред други фактори.

Намерено е освен това, че теоретично и експериментално намерени резултати за енталпията на дисоциация на връзката О-Н дават добри корелации с радикалулавящата активност на монофенолите, но не и за орто-дифенолите (Zhang, 2003). Обяснението е просто. Наличието на водородна връзка с кислородния атом от дисоциращата се хидроксилна група облекчава значително процеса на дисоциация. Този ефект обаче може да бъде оценен добре, ако провеждането на експериментите за радикал-улавяща активност е направено в неполярни апротни разтворители. В този случай теоретично пресметнатите енталпии на дисоциация коректно ще отчитат приноса на Н-връзката със съседната хидроксилна група. Ако обаче експериментът за определяне на радикал-улавяща активност е проведен в разтворител, който образува Н-връзки с молекулата антиоксидант, това не може да бъде оценено от теоретично пресметнати енталпиии на дисоциация на монофенолите. Освен това, наличието на две хидроксилни групи в орто-позиция прави възможно получаването на стабилни, диамагнитни хинони, което не се разглежда в горната схема.

Какво предстои

Много автори са убедени, че премахването на оксидативния стрес понижава драстично канцерогенезата, възникването и развитието на възпалителните и други патогенни процеси. Ако обаче намирането на корелации между дескрипторите на радикал-улавяща активност и антиоксидантна активност на същите съединени е трудна задача, то намирането на връзка между тези дескриптори и някоя от съпътстващите антиоксидантната активност биологични активности или лекарствени действия е почти нерешима задача.

Една от причините за това е, че дескрипторите на радикал-улавяща активност не оценяват следващите трансформации на получаващите се на първия етап радикали от антиоксидантите.

Съществуват данни, че радикалите, които се получават от антиоксидантите в хода на реакцията, макар и по-ниско реактивоспособни, претърпяват трансформации, в резултат на които се превръщат в молекули, които имат своя радикал-улавяща активност и собствена биологична активности, а и токсичност (Ronxuan, 1999).

Изучаването на тези вещества чрез експериментални методи е трудна задача. Те не могат да бъдат лесно разделени и изучени.

За тази цел биха могли да се използват отново квантово-химичните методи. Те могат да дадат достатъчно данни как могат да се трансформират антиоксидантите след реакцията им с активните радикали, каква е структурата на получаващите се съединения, до каква степен тези производни могат да реагират като радикалуловители и дали те биха показали и други биологични свойства.

Обобщената оценка за активността на изходните антиоксиданти и на техните производни трябва да даде по-ясна връзка между структура и действие, която ще бъде наша цел и в бъдеще.

Благодарност: Авторите благодарят на проф. Борян Радоев, доц. Петко Манджуков и проф. Иван Петков за ползотворните дискусии.

ЛИТЕРАТУРА

Cheng, Z., Ren, J., Li, Y., Chang, W. & Chen, Z. (2003). Establishment of a quantitative structure–activity relationship model for evaluating and predicting the protective potentials of phenolic antioxidants on lipid peroxidation. J. Pharm. Sci., 92, 475-484.

DiLabio, G.A. & Johnson, E.R (2007). Lone pair−π and π−π interactions play an important role in proton-coupled electron transfer reactions. J. Amer. Chem. Soc., 129 6199–6203.

Evans, C., Scaiano, J.C. & Ingold, K.U. (1992). Absolute kinetics of hydrogen abstraction from alpha-tocopherol by several reactive species including an alkyl radical. J. Amer. Chem. Soc. , 114, 4589-4593.

Georgiev, L., Kolev, M., Ivanova, G. & Velkov, Z. (2011). Radical scavenging activity modeling of hydroxycinnamic acid derivatives. Top. Chem. Mater Sci., 5, 37-42.

Helmut, S. (1997). Antioxidants in diseases mechanisms and therapy. San Diego:Academic Press.

Koopmans, T. (1934). Über die Zuordnung von Wellenfunktionen und Eigenwerten zu den Einzelnen Elektronen Eines Atoms. Physica, 1, 104–113.

Korzekwa, K.R., Jones, J.P. & Gillette, J.R. (1990). Theoretical studies on cytochrome P-450 mediated hydroxylation: a predictive model for hydrogen atom abstractions. J. Amer. Chem. Soc., 112, 7042-7046.

Mayer, J.M., Hrovat, D.A., Thomas, J.L. & Borden, W.T. (2002). Proton-coupled electron transfer versus hydrogen atom transfer in benzyl/toluene, methoxyl/methanol, and phenoxyl/phenol self-exchange reactions. J. Amer. Chem. Soc., 124, 11142–11147.

Mukai, K., Uemoto, Y., Fukuhara, M., Nagoaka, S.-i. & Ishizu, K. (1992). ENDOR study of cation radicals of vitamin E derivatives. Relation between antioxidant activity and molecular structure. Bull. Chem. Soc. Japan, 65, 2016-2020.

Nagaoka, S., Kuranaka, A., Tsuboi, H.,Nagashima, U. & Mukai, K. (1992). Mechanism of antioxidant reaction of vitamin E: charge transfer and tunneling effect in proton-transfer reaction J. Phys. Chem. , 96, 2754-2761.

Parr, R.G. & Yang, W. (1989). Density-functional theory of atoms and molecules. Oxford: Oxford University Press.

Pryor, W.A. (2000). Vitamin E and heart disease: basic science to clinical intervention trials. Free Radicals Biol. Med., 28, 141-164.

Rongxuan, C. (1999). Color and structural changes of sinapine and sinapic acid: PhD thesis. Manitoba: Food & Nutritional Sciences University of Manitoba.

Stoianova, T. & Velkov, Z. (2013). Structural Investigation of synthetic polyphenolic compounds. Ann. Konstantin Preslavski University of Shumen, Natural Sciences, Chemistry, 22, 62-71.

Tishchenko, O., Truhlar, D.G., Ceulemans, A. & Nguyen M. T. (2008). A unified perspective on the hydrogen atom transfer and proton-coupled electron transfer mechanisms in terms of topographic features of the ground and excited potential energy surfaces as exemplified by the reaction between phenol and radicals. J. Amer. Chem. Soc., 130, 7000–7010.

Todorova, T.Z., Traykov, M.G., Tadjer, A.V. & Velkov, Z.A. (2013) Structure of flavones and flavonols. Part I: role of substituents on the planarity of the system. Comput. Theor. Chem. (in press).

Van Acker, S.A.B.E., de Groot, M.J., van den Berg, D.–J., Tromp, M.N.J.L., den Kelder, G.D.-O., van der Vijgh, W.J.F. & Bast, A. (1996). A quantum chemical explanation of the antioxidant activity of flavonoids. Chem. Res. Toxicol. , 9, 1305-1312.

Velkov, Z. (2009). Quantum-chemical approach to antioxidant activity modeling (theoretical descriptors of antioxidants). Scient. Res. J. SWU, 2 51-55.

Velkov, Z. & Tadjer, A. (2007). Quantum-chemical approach to silybin a and silybin b antioxidant activity investigation. Ann. Konstantin Preslavsky University, Shumen, Faculty Natural Sciences, 28B2, 178-187.

Velkov, Z., Balabanova, E. & Tadjer, A. ( 2007a). Radical scavenging activity prediction of o-coumaric acid thioamide. J Mol Struct: THEOCHEM, 821, 133–138.

Velkov, Z., Kolev, M. & Tadjer, A. (2007b). Modeling and statistical analysis of DPPH scavenging activity of phenolic acids. Collect. Czech Chem. C, 72, 1461-1471.

Velkov, Z.A., Kolev, M.K. & Tadjer, A.V. (2008). Molecular modelling and statistical analysis of scavenging/antioxidant activity of phenolic compounds. Proceedings of the Fourteenth National Conference on Apllication of Mathematics in Biology and Medicine, Leszno Warsaw, 17-20 September, p. 127.

Velkov, Z.A., Velkov, Y.Z., Galunska, B.T., Paskalev, D.N. & Tadjer, A.V. (2009). Melatonin: quantum-chemical and biochemical investigation of antioxidant activity. Eur. J. Med. Chem., 44, 2834-2839.

Zhang, H.-Y. (2003). Оn the O–H bond dissociation enthalpy of catechol. New J. Chem., 27, 453–454.

Zhang, H.-Y., Sun, Y.-M., Zhang, G.-Q. & Chen, De-Z. (2000). Why static molecular parameters cannot characterize the free radical scavenging activity of phenolic antioxidants. Quant. Struct.–Act. Relat., 19, 375-379.