懈皮素消除白由基的抗氧化机理题库

1、懈皮素消除白由基的抗氧化机理自由基，化学上也称为“游离基” ，是含有一个或多个不对称电子的原子、分子或离子。化合物在发生化学反应时，总是伴随着旧键的断裂和新键的生成。键的断裂主要是通过两种方式， 均裂和异裂。 两个成键电了在两个参与原子或碎片中平均分配的过程称为均裂， 其余的是异裂。 两个成键电子的分离可以表示为从键出发的两个单箭头。 所形成的碎片有一个未成对电子， 若是由一个以上的原子组成时，称为自由基。因为它有未成对电子， 自由基和自由基原子非常的活泼。它们大都以中间体的形式存在。一般来说，生命的活动是离不开自由基的， 我们的身体每时每刻都在产生自由基。它具有免疫和信号传导功能。 但是过多

2、的自由基或者说人们平衡自由基或清除自由基的能力减弱时，它就能够侵入细胞，破坏人的正常机体，引起疾病。自由基以及 ROS 在体内可通过下列方式产生: (1)正常电子传送过程的副产物 ;(2) 一 些 经 由 酵 素 催 化 和 金 属 催 化 氧 化 (enzymatic andmetal-catalyzedoxidation,MCO) 系 统 ， 中 性 白 细 胞 (neutrophils) 或 巨 噬 细 胞(macrophages)的激活 ;(3)处于高氧 (hyperoxia)、电磁辐射、紫外光辐射、和粒子辐射 (radiation) ，过 力运 动 ; 缺血一再灌流 ( is che

3、mia-reperfusion)、 低钠血症(hyponatremia)的快速矫正 ;(4)在吸烟 (tobacco smoking)的环境，长期酗酒、服用雌激素 (estrogen)、大气污染 (如臭氧、二氧化氮 )等 ;(5) 发烧、使用大量类固醇、或甲状腺机能亢进和空气中的工业废气、杀虫剂、麻醉气体、有机溶剂等。研究表明，自由基对人体的损害主要包括三个方面: (1)对细胞膜的破坏 ;(2)脂质过氧化所造成的损害;(3)损害 DNA, RNA 使之氧化而造成的危害。天然抗氧化物的主要特点之一是其具有很强的还原性和清除自由基的作用。它们很容易被自由基夺去电子， 从而达到稳定自由基的目的。 从

4、目前的研究来看，天然抗氧化物主要包括多酚类物质、维生素类、天然色素类、黄酮类物质，对于其抗氧化和清除自由基的机理目前国内外的研究报道也较多。黄酮类物质泛指2 个苯环 (A 与 B 环)通过中央三碳链相互联结而成的一系列化合物，广泛存在于高等植物及以植物为原料的食品中，是植物在长期自然选择过程中产生的一些次级代谢产物，一般黄酮类化合物根据C 环的结构进行分类，以六元的 C 环的氧化状况和B 环羟基所连接的位置不同为依据的。许多文献报道的黄酮类化合物具有天然的抗氧化活性能力，对人类抗肿瘤、抗衰老等很多疾病的预治都有着非常重要的意义。由于环上取代基的性质和取代位置 (尤其是羟基的取代位置)以及 C

5、环上 C2-C3 成键情况 (单键或双键 )不同，因而它们表现出的抗氧化活性也有所差异。黄酮类化合物中的3-羟基一4-羟基或5-羟基一 4-羟基通过鳌合金属离子来抑制脂质自动氧化。 羟基的位置和数目尤其是羟基在环上的位置与抗氧化活性有着很重要的关系， 研究表明， B 环上的邻二酚羟基容易形成分子内氢键， 使分子呈现半醌式结构， 稳定自由基， 具有此类结构的黄酮类化合物抗氧化活性更强。黄酮化合物一般是通过羟基的还原性来显示抗氧化活性的， 它通过酚羟基与自由基反应生成较稳定的半醌式结构， 使自由基链反应终止，从此稳定了自由基，黄酮类化合物也可通过阻止或抑制脂质过氧化， 使细胞或大分子结构免受氧化损

6、伤。槲皮素，又名栋精，槲皮黄素，化学命名为3,5,7,3',4一五羟基黄酮，其结构见图 1.2。是一种具有多种生物活性黄酮类化合物，是黄酮类化合物的主要代表，具有很高的研究价值。它广泛存在于植物花、果实、叶中，如小聚科植物红八角莲、中药槐米干燥花蕾、金丝桃科植物红旱莲(湖南连翘 )、番石榴叶、地耳草 (田基黄 )、夹竹桃科植物红麻叶、银杏叶、冤丝子、贯叶连翘、槐花、洋葱、壳斗科植物伊比利亚栋皮和叶、刺五加、满山红地锦草等。棚皮素是自然界中最强的抗氧化剂之一， 并且是一种对人体无任何毒副作用的天然药物。另外，它能清除自由基，能直接抑制肿瘤，发挥防癌抗癌作用；在抗菌抗病毒、抗炎、抗过敏、防

7、止糖尿病并发症方面也有较强的生物活性，槲皮素具有较好的祛痰、止咳作用，用于治疗慢性支气管炎。此外还有降低血压、增强毛细血管抵抗力、减少毛细血管脆性、降血脂、扩张冠状动脉、增加冠脉血流量等作用，对冠心病及高血压患者有辅助治疗作用。由于阳光辐射、 x 射线、紫外光的照射，人体内就会产生自由基，这些自由2-基中主要是氧自由基ROS (reactive oxygen species)包括 OH', 0 , ROO-, RO 等，经研究表明，黄酮类化合物之所以能清除人体内过剩的自由基，大多是因为失去 H 原子后形成的苯氧自由基有大的P-共扼，能够稳定自由基，使机体不被自由基损坏。因此，黄酮类化合

8、物多为天然抗氧化剂。槲皮素 (3',4',3,5,7 一五羟基黄酮 )是人们饮食中最主要的一种黄酮类化合物，主要存在于蔬菜和水果中， 是一种对人体无任何毒副作用的天然抗氧化剂， 它的抗氧化活性在很多的传统中药中都有应用，如治疗糖尿病、癌症、病毒性感染、胃病和十二直肠溃疡和炎症等。据报道，黄酮类化合物母体环上的羟基数目和羟基的位置与其抗氧化活性有很重要的关系， Norio Yamamoto 为了验证槲皮素及其衍生物的抗氧化活性与其结构的关系，他们从小鼠血浆中提取出的槲皮素代谢产物作为代谢产物模型，在低密度脂蛋白 (LDL) 氧化体系进行实验，其中槲皮素及其衍生物的结构。实验共分为

9、两部分，(1)测定了槲皮素衍生物及其代谢产物消除DPPH 自由基的活性。(2)测定了槲皮素及其衍生物抑制过氧甲烷自由基诱导低密度脂蛋白被AAPH氧化的效应。 B 环上邻一二羟基引入取代基会明显降低槲皮素消除自由基的能力，所以邻一二羟基结构是主要的活性位点。尤其是在4'-OH上的H 被取代后，几乎没有了消除自由基的能力。而3-OH 或 7-OH 上的 H 被取代后，分子仍保留大部分的活性。 因此，我们推断槲皮素不同羟基位点消除自由基的活性顺序为：槲皮素 >4'-OH>3'-OH>3-OH>7-OH 。用优化好的槲皮素及其过氧甲烷自由基作为反应物，

10、槲皮素各个羟基位点自由基和过氧甲烷作为产物，利用 Reaction Preview 工具，在电子配对成功后，得到一个轨迹文件， 运用同样的基组和收敛标准进行过渡态的搜索， 直到出现一个“过渡态” (仅有一个负的振动频率 )。最后得到最小能量反应式 (MEP )和内反应坐标 (IRC )。对于黄酮类化合物清除自由基的反应，存在着两种机理，一种是H 原子转移机理，另一种是质子一电子转移机理，如下面的反应式所示:ROO'+ ArOH-ROOH+ArO- (1)ROO'+ ArOH-R00" +ArOH' +-ROOH +ArO' (2)虽然两种机理的最终产物

11、是相同的，但是它们的反应路径却是不一样的，在以往的文献中，由于H 一原子转移机理占统治地位，因此本文采取方程(1)来计算 H的解离能。五个不同位点的反应式如图3.3.图 3.3 根据 H 一原子转移机理，棚皮素和过氧甲烷白由基反应的方程式由于槲皮素B 一环是邻二羟基的结构，所以在3或4位在失去一个H 原子后，剩余的O 原子与邻位的经基存在是否生成O-HO氢键的可能性，因此需要考虑是否有氢键两种情况。还有，为了考察B 一环上具有强氧化性的特性，我们考虑， B 一环存在二次解离的可能性，考虑到双自由基自旋多重度的问题，我们计算了多重度为1 和 3 两种情况。经过上述的计算方法优化后， 得到的槲皮素

12、及自由基的稳定结构。根据优化后的结构，槲皮素显示近平面的结构，A- 环和 C-环， C-环和 B-环之间的二面角的度数分别是°°0.051 和 1.345 。羟基解离能的大小是考察黄酮类化合物抗氧化活性的主要依据之一，解离能越小，说明失去H 原子后槲皮素自由基越稳定，清除自由基的能力越强， 凡是能影响自由基的稳定性的因素都可以影响其抗氧化的活性。例如诱导和共扼等极化效应都可以影响分子的抗氧化活性。由解离能的数据可知， 04'(有氢键 )自由基的解离能最小， 总能量也是最小的，证明槲皮素在 4'位失去 H 原子后，结构是最稳定的，其次是 03自由基 (有氢键

13、)，这证明了在 B 一环失去一个 H 原子后，形成的 O-H O 氢键稳定了自由基，而 B 环上的 H 也极易被自由基所捕获，所以 B 环是槲皮素抗氧化活性的中心。 3位， 7 位， 5 位的解离能依次增大， 5 位上的 H 原子最难解离，因此，槲皮素各位点消除自由基的顺序是 :04'-自由基 >03'-自由基 >03-自由基 >07-自由基 >05-自由基。另外，未成对电子的自旋离域程度也影响酚氧自由基的稳定性。 有表中数据可知，当自旋多重度为 1 时，解离能较低。当 B 一环变成双自由基时， 两个孤对电子倾向于自旋相反排列， 而不是自旋相同的排列在两

14、个轨道上。考虑到 B 环上的氢键异构现象，清除自由基的能力依次为 :04'-自由基 (有氢键 )> 03'-自由基 (有氢键 )> 04'-自由基 (无氢键 )> 03-自由基 >03'-自由基 (无氢键 )>07-自由基 >O5-自由基。另一方面，不成对电子的离域程度也是衡量黄酮类化合物抗氧化活性的一个重要因素，4'自由基的孤对电子可以离域到B 环和 C 环，而其他的四种自由基只是离域到它本身所在的环，但是B 环上的双自由基却能离域到整个分子，分子的共扼或离域程度越大，分子就越稳定，这也再次证明了B 环强的抗氧化性。

15、除 7 位外，其他位点都有可能形成分子内氢键(3和 4互相形成， 3 位和 5位分别和 4 位羰基形成 )，分子的抗氧化活性和键长似乎没有明显的关系。然而，在槲皮素失去 H 原子后， C-O 键的键长却发生了依次程度的减小。对于槲皮素，C4'-04', C3'-03', C3-03, C7-07 和 CS-OS 键长分别是 1.390, 1.394, 1.370, 1.378 和1.357人 ;而各个自由基 C-的键长分别是 1.264, 1.273, 1.252, 1.267和 1.258 人 ;它们分 别减 少了0.126, 0.121,0.118, 0.1

16、11 和0.099 入 ; 减 少的 次序 正好 也是04'>03'>3>7>5，和解离能、电子密度的次序是一致的。键长的缩短表明了其稳定性的增强，而对于 B 环双自由基， C-的键长减少得更明显，它们分别由 1.394 和 1.390 入减少到 1.23 5 和 1.231 入， C-O 单键的键长几乎接近于 C=O，这样双自由基就形成了一个邻位半醌式结构， 这样整个分子就形成了大的 P-共扼，更有利于分子的稳定。综上所述，我们用静态的方法(解离能、电子自旋密度和键长)分析了槲皮素不同位点抗氧化活性的能力，它们得到的结论是一致的，即：04' >03'> 03 > 07 >05，另外，我们也解释了 3', 4一邻位双自由基是槲皮素抗氧化活性中心的原因。近年来，文献报道的对槲皮素的理论研究主要集中在静态层面，如解离能、电子密度等，而用动态的方法 (如过渡态 )对槲皮素的研究报