花青素類化合物抗氧化活性的密度泛函理論研究.pdf

1、密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)是目前使用最為廣泛的一種量子化學(xué)計(jì)算方法，計(jì)算精度較高而耗時(shí)短，已被廣泛應(yīng)用于許多化學(xué)問題的研究，包括分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、過渡態(tài)反應(yīng)機(jī)理、熱化學(xué)、光譜等諸多方面，并且目前在向材料科學(xué)、生命科學(xué)、藥物分子設(shè)計(jì)等領(lǐng)域快速發(fā)展。隨著社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明很多身體疾病損傷是由體內(nèi)產(chǎn)生過量的自由基所導(dǎo)致的，因此尋找安全無毒、天然高效的抗氧化劑顯得尤為重要，而很多黃酮類

2、化合物（如花青素）是廣泛存在于植物中的天然功能性抗氧劑，具有較強(qiáng)的清除自由基抗氧化能力及多種對人體有益的生理功能，因而日益受到人們的關(guān)注和重視。
　　黃酮類化合物是一類在植物中分布很廣而且重要的多酚類天然產(chǎn)物，產(chǎn)生于植物代謝過程，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種不同的類型。黃酮類化合物具有廣泛的生物活性和藥理活性，而化學(xué)結(jié)構(gòu)決定化學(xué)性質(zhì)，黃酮類化合物具有不同的抗氧活性與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。采用密度泛函理論(DFT)方法，在B3LYP/6-311+G(d

3、，p)//6-311G(d，p)水平下，對五類共38種黃酮化合物及相應(yīng)的自由基進(jìn)行了構(gòu)型優(yōu)化和能量計(jì)算。結(jié)果表明，C環(huán)結(jié)構(gòu)對黃酮類化合物活性影響很大，C環(huán)上C3(2)-OH、C2=C3雙鍵、C4位羰基對黃酮類化合物的活性有增強(qiáng)作用;A環(huán)上酚羥基對黃酮類化合物活性增強(qiáng)作用不大，B環(huán)上C3'位酚羥基對其鄰位C4'位酚羥基活性有明顯的增強(qiáng)作用。5類黃酮化合物，B環(huán)都有抗氧化活性且C4'位酚羥基是主要活性部位，不同種類化合物中其余的活性部位不一

4、樣，A類黃酮化合物A環(huán)C7和C3位酚羥基也有一定活性，B類二氫黃酮化合物A環(huán)C7位酚羥基有一定活性，C類黃烷-3-醇化合物A環(huán)C5位酚羥基有一定活性，D類花青素化合物其余的C3、C5、C7酚羥基都一定活性，E類異黃酮化合物C2酚羥基有較強(qiáng)的活性，A環(huán)C7也有一定活性。同時(shí)綜合分析黃酮類、異黃酮、花青素三類化合物，整體抗氧化活性較強(qiáng)，其中38種黃酮化合物中，花青素類化合物A(3'，4'，5，7-OH)、A(3'，4'，5',5,7-OH)

5、、A(3',4',3,5,7-OH)、B(3',4',5,7-OH)、B(3',4',3,5,7-OH)、B(3',4',5',3,5,7-OH)、C(3',4',3,5,7-OH)、 E(3',4',5,7-OH)、E(4',2,5-OH)、E(4',2,7-OH)、E(4',2,5,7-OH)、E(3'，4'，2，5，7-OH)、E(3'，4'，5'，2，5，7-OH)的抗氧化活性較強(qiáng)，可作為潛在的高效抗氧化劑，對天然抗氧化劑的篩選

6、提供一定的理論參考。
　　花青素是自然界中一類廣泛存在于植物中的水溶性天然色素，屬類黃酮化合物，是植物花瓣中的主要呈色物質(zhì)，廣泛存在于多種開花植物中，具有預(yù)防抵抗癌癥，糖尿病，心血管疾病及與衰老有關(guān)的疾病等多種生理功能。采用密度泛函理論中的B3LYP方法在6-311G(d，p)水平上對花青素分子中天竺葵色素、矢車菊色素、飛燕草色素、芍藥色素、牽牛色素、錦葵色素及相關(guān)自由基分子進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。從六個(gè)分子的結(jié)構(gòu)參數(shù)、酚羥基氫原子上的自

7、然鍵軌道(NBO)電荷數(shù)、酚羥基解離能、HOMO和LUMO能級以及其能級差△E(LUMO-HOMO)等方面分析了六種花青素類化合物清除自由基的活性。計(jì)算數(shù)據(jù)表明，酚羥基解離能、最高占據(jù)軌道及軌道能級差最能說明抗氧化活性情況，C4'酚羥基清除自由基活性最強(qiáng)，C3位最易發(fā)生糖苷化。在相同方法下對天竺葵色素分子C4，位酚羥基與·OH自由基的反應(yīng)的過渡態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)的反應(yīng)勢壘只有14.6 KJ·mol-1，反應(yīng)熱ΔH=-87.7 KJ

8、·mol-1，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。
　　藍(lán)莓被聯(lián)合國糧農(nóng)組織列為人類五大健康食品之一，藍(lán)莓的營養(yǎng)保健功能日益受到人們關(guān)注，其消費(fèi)市場逐年擴(kuò)大，被稱為繼蘋果和柑桔之后的“世界第三代水果”。藍(lán)莓中含量豐富的花色苷具有提高免疫力、抗心血管疾病、清除自由基延緩衰老、防止動(dòng)脈粥樣硬化、抗癌等多種功能。采用密度泛函理論中的B3LYP/6-311G(d，p)方法優(yōu)化計(jì)算了藍(lán)莓中15種不同糖苷的花色苷化合物及各自的脫氫自由基。對15種花色苷分子的結(jié)

9、構(gòu)參數(shù)、自然鍵軌道(NBO)電荷數(shù)、酚羥基解離能、前線軌道等相關(guān)性質(zhì)分析結(jié)果表明，15種花色苷中A環(huán)與B環(huán)上酚羥基都有一定活性，其中C4'酚羥基活性最強(qiáng)，其次是C5酚羥基也較強(qiáng)。15種花色苷化合物中不同部位酚羥基活性受糖苷的影響不同，C5，位酚羥基活性在半乳糖苷花色苷中最弱，C4'酚羥基活性在葡萄糖苷花色苷中比在其它兩類糖苷花色苷強(qiáng)，C5位酚羥基活性在半乳糖苷花色苷中較強(qiáng)?？傮w分析是半乳糖苷較其他兩類糖苷對花色苷分子的活性影響大，三類糖

10、苷花色苷分子整體抗氧化活性差別不大，三類糖苷花色苷中都是B環(huán)取代基較多的分子整體活性相對較大。
　　矢車菊素-3-葡萄糖苷是在在自然界中分布最廣的花色苷，是花色素的糖苷衍生物，具有抗氧化、抗菌消炎、提高免疫力、防心血管疾病、抗衰老、改善糖脂代謝等多種生理活性功能，但其在體內(nèi)是具體如何發(fā)揮作用的還不是很清楚，它的吸收與代謝成為近年來研究的熱點(diǎn)。采用DFT/B3LYP/6-311+G(d，p)//B3LYP/6-311G(d，p)方法

11、分別在氣相和水溶劑兩種環(huán)境下，優(yōu)化計(jì)算了矢車菊素-3-葡萄糖苷、芍藥色素-3-葡萄糖苷、矢車菊素-3-葡糖苷酸、矢車菊色素、原兒茶酸在體內(nèi)的代謝物分子及各自的脫氫自由基?；诜恿u基數(shù)目及位置、酚羥基鍵長、NBO電荷布局?jǐn)?shù)、酚羥基解離能BDE、前線分子軌道能級等方面綜合考慮可知，五種化合物在水溶劑較為穩(wěn)定，且在水溶劑中五種化合物上酚羥基整體抗氧化活性比在氣相中強(qiáng)。氣相和水溶劑中，五種化合物的B環(huán)都是抗氧化活性的主要部位，都是C4'位酚羥基