CC BY
15
УДК 544.165; 544.147; 544.51
Казаева А.Н., Кобзев Г.И., Свиридова Т.Г., Грязева И.В., Свиридов А.П.
Оренбургский государственный университет E-mail: kazaevaan@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРО- И АНТИОКСИДАНТНОЙ АКТИВНОСТЕЙ 1,3-ДИОКСИ-5-МЕТИЛБЕНЗОЛА
Методом MCSCF рассмотрено взаимодействие 1,3-диокси-5-метилбензола (С1-АОБ) и С1-АОБ* с АФК. Показана антиоксидантная активность С1-АОБ по отношению к радикалам ОН*, НО2* и 102 (Ь 1Е+д), возможность прооксидантного эффекта С1-АОБ в отношении 102 (а 1Д£|), предсказаны антиоксидантные свойства С1-АОБ* к НО*. Полученные данные экспериментально подтверждены в модельной системе «пероксидаза - Н202 - люминол».
Ключевые слова: 1,3-диокси-5-метилбензол, активационный барьер реакции, активные формы кислорода, антиоксидантная активность, прооксидантантная активность.
Одним из приоритетных направлений современной биологии и медицины является поиск и исследование новых соединений, способных выступать в роли антиоксидантов. В качестве подобных веществ, способных к взаимодействию с разнообразными активными формами кислорода (АФК) можно рассматривать небольшие молекулы микробного и растительного происхождения - алкилоксибензолы - синтезируемые некоторыми растениями, грибами или микроорганизмами в ответ на изменяющиеся условия окружающей среды, такие как инфекция, повреждения тканей, или действие неблагоприятных физических или химических веществ [1]. Ранее у данной молекулы показана совокупность антиоксидантных [2] и фотопротекторных [3] свойств, явившихся основанием для практического использования С1-АОБ в качестве вещества, обладающего защитными функциями. Однако совокупность данных эффектов не раскрывает механизмы наблюдаемых явлений. В этой связи, особый интерес вызывает возможность изучения тонких взаимодействий С1-АОБ с гидратной оболочкой [4] и различными формами АФК с использованием методов квантовохимического моделирования с одновременным сопоставлением и согласованием подобных результатов с имеющимися экспериментальными данными.
Методы исследования
Геометрия равновесных состояний молекул С1-АОБ, С1-АОБ-, НО/, 02, ОН-, Н2О, Н2О2 и межмолекулярных комплексов [С1-АОБ - О2], [С1-АОБ- - НО2-], [С1-АОБ - ОН-], [С1-АОБ-+ Н2О], [С1-АОБ - Н2О2], [С1-АОБ- - Н2О2] рассчитана методом функционала плотности DFT [5], [6] с использованием функционала
ВЗЕУР. Моделирование межмолекулярных потенциалов взаимодействия С1-АОБ и его фенок-сильного радикала С1-АОБ- с О2, НО2-, Н2О и ОН - проводилось методом MCSCF (многоконфигурационный метод самосогласованного поля, МКССП) на собственных векторах ИОНЕ Активное пространство (АП) расчетов MCSCF включало шестнадцать электронов на двенадцати молекулярных орбиталях (МО) для реакции 13[С1-АОБ + 02] = 13[С1-АОБ- + НО2-] и семнадцать электронов на двенадцати МО для реакции 2[С1-АОБ + ОН-] = 2[С1-АОБ- + Н2О]. Для улучшения сходимости в расчетах методами ИООТ и DFT/B3LYP использовались канонические орбитали с параметрами А^ = 0,0,
А ) = 1,0, А ) = 1,0, В( )=3,0, В( )=0,0, В( "= 0,0 [7].
(оо) ' ' (уу) ' ' (СС) ' ' (оо) ' ' (уу) ' -1
При проведении экспериментальных исследований использован С1-акилоксибензол (С1-АОБ) с молекулярной массой Мг= 142,16 г/моль и степенью очистки 99,9% (Sigma,США). Способность С1-АОБ взаимодействовать с продуктами диссоциации Н202 изучали в модельной ферментной системе «пероксидаза - Н202 -люминол», окисление которого определялось взаимодействием с образующимися АФК и сопровождалось хемилюминесценцией с максимумом 428 нм. На основании значений интенсивности свечения в отсутсвии (контроль) и присутствии С1-АОБ (опыт) проводили расчет индекса хемилюминесценции (ИХЛ).
Результаты и обсуждение
Анализ сечения профиля потенциальной энергии реакции 2[С1-АОБ + ОН-] = 2[С1-АОБ-+ Н2О], построенного по результатам расчета методом MCSCF, показал, что реакция взаимодействия С1-АОБ с радикалом ОН- протекает более эффективно, т. к. активационный барьер
Микробиология и экология микроорганизмов
прямой реакции Еа(пр)=0,60 эВ меньше, чем ак-тивационный барьер Еа(обр)=1,75 эВ обратного процесса - С1-АОБ + Н2О, что свидетельствует о проявлении антиоксидантной активности С1-АОБ по отношению к гидроксильно-му радикалу ОН' (рис.1).
Особенности структуры и энергии триплет-ного состояния С1-АОБ и их влияния на генерацию синглетного кислорода, как это сделано в работе [8], не рассматривалась, однако, проанализировав реакцию взаимодействия молекулярного кислорода 302 (X 3Е"ё) и его активных форм 102 (а 1А§) и 02 (Ь 1Е+§) с С1-АОБ, и рассчитав активационные барьеры, можно сделать соответствующие выводы. Результаты расчета свидетельствуют, что прямая реакция 302 (X 3Е"ё) + С1-АОБ = С1-АОВ' + НО2', для! которой Еа(пр)=2,02 эВ идет менее эффективно, чем обратная Еа(обр)=0,51 эВ. Аналогичная ситуация наблюдается и для реакции С1-АОБ с синглет-ным кислородом (а 1Аё): 102 (а 1Аё) + С1-АОБ = С1-АОВ' + НО2' (рис.2). Отсюда следует, что по отношению к молекулярному кислороду и его активной форме 102 (а 1Аё) С1-АОБ не проявляет антиоксидантных свойств и в процессе обратной реакции 102 (а 1А§) + С1-АОБ = С1-АОВ' + НО2' (кривая 2, рис.2) возможна генерация син-глетного кислорода 102 (а 1А.).
Следует заметить, что С1-АОБ и его фенок-сильный радикал С1-АОВ' образуют устойчивые межмолекулярные комплексы с пероксидом водорода Н2О2 (рис.3), энергии диссоциации равны 0,56 эВ и 1,78 эВ соответственно, таким образом, маловероятно образование продуктов в результате реакции взаимодействия С1-АОБ непосредственно с Н2О2.
Известно, что пероксид водорода может продуцировать активные формы кислорода (АФК) 1О2 и ОН', поэтому исследование реакции взаимодействия молекулы С1-АОБ и радикала С1-АОБ" с этими АФК позволяет проанализировать и объяснить анти- и проокси-дантные свойства С1-АОБ в экспериментально исследуемых системах.
Резюмируя вышесказанное можно отметить, что квантовохимические расчеты регистрируют антиоксидантные свойства С1-АОБ по отношению к гидроксильному радикалу ОН' и синглетному кислороду Ь 1Е+ё и прогнозируют прооксидантные свойства по отношению к синглетному кислороду а
Е, а .е. 0,9 1,1
1,3
1,5
1,7
1,9 R, А
-494,98
Рисунок 1. Сечение профиля потенциальной энергии реакции 2[С1-АОВ+ОН'] = 2[С1-АОВ'+Н2О], рассчитанное методом MCSCF
1,9 К,А
-569,11 -
-569,21
Рисунок 2. Сечение профиля потенциальной энергии
реакции 13[С1-А0В+0] = ^[СЬАОВ'+НО']; рассчитанное методом MCSCF, где 1: 3[С1-АОБ+02 (X 3Е- )], 2: 1[С1-АОБ+02 (а А )], 3: *[ С1-АОВ+ §+02 (Ь 1!+г)], 4: 132С1-А(ЪВ-+НО2-]
а)
б)
Рисунок 3. Структура межмолекулярных комплексов пероксида водорода Н2О2 с С1-АОВ (а) и его феноксильным радикалом С1-АОВ' (б)
Проблемы экологии Южного Урала
Наличие антиоксидантной активности у С1-акилоксибензола было экспериментально подтверждено в модельной системе «пероксидаза - H2O2 - люминол». Так, при регистрации изменений свечения проб в модельной ферментной системе «пероксидаза - H2O2 -люминол», содержащих С1-АОБ свидетельствовала, что использованные С1-АОБ в концентрации 10-5 моль/л и выше, обусловливали значимое снижение регистрируемых значений ИХЛ до уровня 0,96±0,06 - 0,60±0,03 (P<0,01), что соответствовало представлениям о возможности связывании ауторегулято-ром появляющихся в экспериментальной сме-
си АФК и объясняло наличие у этой группы биологически активных веществ свойств ан-тиоксидантов.
Таким образом, полученные данные раскрывают некоторые механизмы взаимодействия С1-АОБ с активными формами кислорода, объясняют проявление подобным гомологом эффектов разной степени выраженности и направленности в экспериментальных системах, а так же оставляют перспективу дальнейших исследований, направленных на выявление зависимости про- и антиоксидантных эффектов АОБ от особенностей их химической структуры и, в частности, размера углеводородного радикала.
1.09.2013
Список литературы:
1. Stasiuk М., Kozubek А. Biological activity of phenolic lipids // Cell. Mol. Life Sci. - 2010. - V. 67. - P. 841-860.
2. Грязева И.В., Давыдова О.К., Дерябин Д.Г., Свиридова Т.Г., Свиридов А.П. Прогнозируемая и экспериментально выявляемая антиоксидантная активность алкилоксибензолов // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. - 2013. - №8. - С. 41-46.
3. Давыдова О.К., Дерябин Д.Г., Эль-Регистан Г.И. Влияние химических аналогов микробных ауторегуляторов на чувствительность ДНК к УФ-облучению // Микробиология. - 2006. - Т. 75. - №5. - С. 654-661.
4. Kobzev G. I., Sagida M. O., Kazaeva A. N. Quantum-Chemical Study of Alkyloxybenzenes Hydrophobicity // Russian Journal of General Chemistry. - 2013. - Vol. 83. - №7. - Р. 1318-1323.
5. Hohenberg P, Kohn W. Inhomogeneous Electron Gas // Phys. Rev. B - 1964. - Vol. 136. - P. 864.
6. Kohn W., Sham L.J. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects // Phys. Rev. A - 1965. - Vol. 140. -P. 1133.
7. Plakhutin B.N., Gorelik E.V., Breslavskaya N.N. Koopmans' theorem in the ROHF method: Canonical form for the Hartree-Fock Hamiltonian // J. Chem. Phys. - 2006. - Vol. 125. - P. 204110-2041119.
8. Lobanov A.V., Kobzev G.I., Davydov K.S., Koumaneikina L.V., Komissarov G.G. Special features of singlet oxygen generation photosensitized by magnesium complexes of tetrapyrrolic macrocycles // Macroheterocycles. - 2011. - Vol. 4. - № 2. - P. 106-110.
Сведения об авторах: Казаева Анна Николаевна, аспирант кафедры химии Оренбургского государственного университета, е-mail: kazaevaan@mail.ru Кобзев Геннадий Игоревич, профессор кафедры химии Оренбургского государственного университета, доктор химических наук, доцент,
е-mail: kobzevgi@mail.ru Свиридова Татяна Геннадьевна, ведущий инженер кафедры микробиологии
Оренбургского государственного университета, е-mail: kobtg@yandex.ru Грязева Ирина Владимировна, ведущий инженер кафедры микробиологии Оренбургского государственного университета, е-mail: gryazevai@mail.ru Свиридов Алексей Петрович, студент магистратуры кафедры микробиологии Оренбургского государственного университета, е-mail: svirlex@yandex.ru 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел. (3532) 692814
UDC 544.165; 544.147; 544.51
Kazaeva A.N., Kobzev G.I., Бу1пйоуа T.G., Gryazeva I.V., Sviridov A.P.
Orenburg state university, е-mail: kazaevaan@mail.ru
STUDY OF THE MECHANISM OF PRO- AND ANTIOXIDANT ACTIVITY OF 1,3-DIHYDROXY-5-METHYL-BENZENE
Method MCSCF (multiconfiguration self-consistent field method) simulated the interaction of 1,3-dihydroxy-5-methylbenzene (C1-AHB) and its phenoxyl radical (C1-AHB) with some reactive forms of oxygen. According to the results of quantum chemical calculations of activation barriers of direct and inverse reactions shown antioxidant activity of C1-AHB towards hydroxyl (OH), hydroperoxide (HO2) radicals and singlet oxygen 1O2 and the predicted antioxidant phenoxyl radical Cl-AHB' against hydroperoxide radical HO2'. At the same time the opportunity of pro-oxidant effect of C1-AHB against singlet oxygen 1O2 (a 1A ) to generate a response in the last 1C1-AHB' + 1HO2' = 1C1-AHB + 1O2. The calculated data are experimentally configmed in a model system «Peroxidase - H2O2 - Luminol».
Key words: 1,3-dihydroxy-5-methylbenzene, the activation barrier of the reaction, reactive oxygen species, antioxidant activity, prooksidantant activity.
