Резонансный захват электронов молекулами природных полифенольных соединений и их биологическая активность

С.А. Пшеничнюк1,2, Н.Л. Асфандиаров1,3, АС Воробьев1, ЕП Нафикова1, АС Комолов2, ЮН Елькин4, НИ Кулеш4, А Моделли5
1Институт физики молекул и кристаллов УНЦ РАН, Пр. Октября, 71, 450075 Уфа, Россия
2Санкт-Петербургский государственный университет, ул. Ульяновская, 1, 198504 Санкт-Петербург, Россия
3Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы, ул. Октябрьской революции, 3а, 450000, Уфа, Россия
4Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН, Пр. 100 лет Владивостоку, 159, 690022, Владивосток, Россия
5Болонский Университет, ул. Селми, 2, 40126, Болонья, Италия
Аннотация
Методом спектроскопии диссоциативного захвата электронов исследован резонансный захват медленных (0-14 эВ) электронов молекулами полифенольных стильбенов природного происхождения – ресвератрола и пицеатаннола, проявляющих антиоксидантные свойства. Экспериментальные результаты интерпретированы с помощью расчётов энергий и симметрии вакантных молекулярных орбиталей методами теории функционала плотности (ТФП). Обнаружено, что характерным распадом отрицательных молекулярных ионов исследованных соединений в газовой фазе является выброс нейтральной молекулы Н2 и образование хиноидной структуры, несущей избыточный электрон. Указанные фрагменты могут быть ответственны за способность полифенольных соединений экранировать свободные радикалы в клетках живых организмов. Экстраполяция данных, полученных в газовой фазе, на реакции в клеточной среде проводилась с помощью расчётов методами ТФП в рамках модели поляризуемого континуума. Предложен молекулярный механизм антиоксидантной активности полифенольных соединений вблизи дыхательной цепи митохондрий в условиях избыточного отрицательного заряда. А именно, предполагается, что молекулярный водород, действующий как селективный антиоксидант, может эффективно образовываться в результате захвата электронов («утекающих» с дыхательной цепи митохондрий в межмембранное пространство) молекулами полифенольного соединения и, таким образом, может обуславливать антиоксидантную активность полифенола. Соответствующий отрицательно заряженный фрагмент, т.е. хиноидная структура, несущая на себе избыточной электрон, может служить в качестве переносчика электронов и возвратить захваченный электрон обратно в дыхательный цикл. Количество гидроксильных групп и их относительное расположение на ароматических кольцах полифенольной молекулы являются определяющими для предложенного механизма, поскольку этими характеристиками определяется величина сечения диссоциативного захвата электрона.
Принята: 03 февраля 2016
Просмотры: 84   Загрузки: 19
Ссылки
1.
И.Н. Тодоров, Митохондрии: окислительный стресс и мутации митохондриальной ДНК в развитии патологий, процессе старения и апоптозе, Российский химический журнал, 51(1), 93-106 (2007).
2.
Е.Б. Меньщикова, В.З. Ланкин, Н.К. Зенков, И.А. Бондарь, Н.Ф. Круговых, В.А. Труфакин, Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты, М.: Фирма «Слово», 2006, 556 с.
3.
В.Г. Гривенникова, А.Д. Виноградов, Генерация активных форм кислорода митохондриями. Успехи биол. химии, 53, 245-296 (2013).
4.
Q. Chen, E.J. Vazquez, S. Moghaddas, C.L. Hoppel, E.J. Lesnefsky, Production of reactive oxygen species by mitochondria. Central role of Complex III, Journal of Biological Chemistry, 278(38), 36027-36031 (2003).
5.
В.И. Донцов, В.Н. Крутько, Б.М. Мрикаев, С.В. Уханов, Активные формы кислорода как система: значение в физиологии, патологии и естественном старении, Труды ИСА РАН, 19, 50-69 (2006).
6.
В.П. Скулачев, Попытка биохимиков атаковать проблему старения: "Мегапроект" по проникающим ионам. Первые итоги и перспективы (обзор), Биохимия, 72(12), 1700-1714 (2007).
7.
Ю.С. Тараховский, Ю.А. Ким, Б.С. Абдрасилов, Е.Н. Музафаров, Флавоноиды: Биохимия, биофизика, медицина, Пущино: Synchrobook (2013), 310 стр.
8.
R. Kuwahara, H. Hatate, T. Yuki, H. Murata, R. Tanaka, Y. Hama, Antioxidant property of polyhydroxylated naphthoquinone pigments from shells of purple sea urchin Anthocidaris crassispina, LWT-Food Science and Technology, 42(7), 1296-1300 (2009).
9.
M. Leopoldini, N. Russo, M. Toscano, The molecular basis of working mechanism of natural polyphenolic antioxidants, Food Chemistry, 125(2), 288-306 (2011).
10.
А.М. Попов, О.Н. Кривошапко, А.А. Артюков, Механизмы протективной фармакологической активности флавоноидов, Биофармацевтический журнал, 4(4), 27-41 (2012).
11.
A. Modelli, S.A. Pshenichnyuk, Gas-phase dissociative electron attachment to flavonoids and possible similarities to their metabolic pathways, Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 1588-1600 (2013).
12.
N.L. Asfandiarov, S.A. Pshenichnyuk, A.S. Vorob'ev, E.P. Nafikova, Y.N. Elkin, D.N. Pelageev, E.A. Koltsova, A. Modelli, Electron attachment to some naphthoquinone derivatives: Long-lived molecular anion formation, Rapid Communications in Mass Spectrometry, 28, 1580-1590 (2014).
13.
A.A. Kamboh, M.A. Arain, M.J. Mughal, A. Zaman, Z.M. Arain, A.H. Soomro, Flavonoids: health promoting phytochemicals for animal production, J. Anim. Health Prod, 3(1), 6-13 (2015).
14.
Г.Г. Мартинович, С.Н. Черенкевич Окислительно-восстановительные процессы в клетках: Минск: БГУ, 2008. с. 159.
15.
K.M. Ervin, I. Anusiewicz, P. Skurski, J. Simons, W.C. Lineberger, The only stable state of O2- is the X 2Πg ground state and it (still!) has an adiabatic electron detachment energy of 0.45 eV, The Journal of Physical Chemistry A 107, 8521-8529 (2003).
16.
A. Szewczyk, L. Wojtczak, Mitochondria as a pharmacological target, Pharmacological reviews, 54(1), 101-127 (2002).
17.
J.E. Biaglow, Cellular electron transfer and radical mechanisms for drug metabolism, Radiation Research 86, 212-242 (1981).
18.
O. Ingólfsson, F. Weik, E. Illenberger, The reactivity of slow electrons with molecules at different degrees of aggregation: gas phase, clusters and condensed phase, Int. J. Mass Spec. Ion Proc. 155, 1-68 (1996).
19.
I.I. Fabrikant, S. Caprasecca, G.A. Gallup, J.D. Gorfinkiel, Electron Attachment to Molecules in a Cluster Environment, J. Chem. Phys. 136, 184301-8 (2012).
20.
K.R. Siefermann, Y. Liu, E. Lugovoy, O. Link, M. Faubel, U. Buck, B. Winter, B. Abel, Binding Energies, Lifetimes and Implications of Bulk and Interface Solvated Electrons in Water, Nature Chemistry 2, 274-279 (2010).
21.
S.A. Pshenichnyuk, A. Modelli, Electron attachment to antipyretics: Possible implications of their metabolic pathways, Journal of Chemical Physics, 136(23), 234307 (2012).
22.
S.A. Pshenichnyuk, A.S. Komolov, Dissociative electron attachment to anthralin to model its biochemical reactions, Journal of Physical Chemistry Letters, 5(16), 2916-2921 (2014).
23.
H. Piotrowska, M. Kucinska, M. Murias, Biological activity of piceatannol: leaving the shadow of resveratrol, Mutation Research/Reviews in Mutation Research, 750(1), 60-82 (2012).
24.
S.A. Pshenichnyuk, A. Modelli, ETS and DEAS Studies of the Reduction of Xenobiotics in Mitochondrial Intermembrane Space. Mitochondrial Medicine: Volume II, Manipulating Mitochondrial Function, 285-305 (2015).
25.
E. Illenberger, J. Momigny, Gaseous Molecular Ions. An Introduction to Elementary Processes Induced by Ionization, Steinkopff Verlag Darmstadt, Springer-Verlag, New York, (1992).
26.
В.И. Хвостенко, Масс-спектрометрия отрицательных ионов в органической химии, Москва, Наука, 1981.
27.
M.J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G.A. Petersson, et al., Gaussian 09, Revision A.02, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2009.
28.
A.M. Scheer, P.D. Burrow, π* Orbital System of Alternating Phenyl and Ethynyl Groups: Measurements and Calculations, J. Phys. Chem. B., 110, 17751-17756 (2006).
29.
S.A. Pshenichnyuk, A.S. Komolov, Relation between electron scattering resonances of isolated NTCDA molecules and maxima in the density of unoccupied states of condensed NTCDA layers. J. Phys. Chem. A., 116, 761-766 (2011).
30.
S.A. Pshenichnyuk, A.V. Kukhto, I.N. Kukhto, A.S. Komolov, Spectroscopic states of PTCDA negative ions and their relation to the maxima of unoccupied state density in the conduction band. Tech. Phys., 56, 754-759 (2011).
31.
A.S. Komolov, E.F. Lazneva, S.A. Pshenichnyuk, N.S. Chepilko, A.A. Tomilov, N.B. Gerasimova, A.A. Lezov, P.S. Repin, Electronic properties of the interface between hexadecafluoro copper phthalocyanine and unsubstituted copper phthalocyanine films, Semiconductors, 47 (7), 956-961 (2013).
32.
J. Tomasi, M. Persico, Molecular Interactions in Solution: An Overview of Methods Based on Continuous Distributions of the Solvent. Chemical Reviews, 94, 2027-2094 (1994).
33.
S.A. Pshenichnyuk, Y.N. Elkin, N.I. Kulesh, E.F. Lazneva, A.S. Komolov, Low-energy electron interaction with retusin extracted from Maackia amurensis: towards a molecular mechanism of the biological activity of flavonoids, Phys. Chem. Chem. Phys. 17(26), 16805-16812 (2015).
34.
S.A. Pshenichnyuk, N.L. Asfandiarov, A.V. Kukhta, Interruption of the inner rotation initiated in isolated electron-driven molecular rotors, Physical Review A, 86(5), 052710 (2012).
35.
L.G. Christophorou, D. Hadjiantoniou, Electron attachment and molecular toxicity, Chemical physics letters, 419(4), 405-410 (2006).
36.
S. Antonello, F. Maran, Intramolecular dissociative electron transfer, Chemical Society Reviews, 34(5), 418-428 (2005).
37.
L. Feketeová, C.K. Barlow, T.M. Benton, S.J. Rochfort, A.J. Richard, The formation and fragmentation of flavonoid radical anions, International Journal of Mass Spectrometry, 301(1), 174-183 (2011).
38.
I. Ohsawa, M. Ishikawa, K. Takahashi, M. Watanabe, K. Nishimaki, K. Yamagata, K. Ken-ichiro Katsura, Y . Katayama, S. Asoh, S. Ohta, Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals, Nature Medicine 13, 688-694 (2007).
39.
C.S. Huang, T. Kawamura, Y. Toyoda, A. Nakao, Recent advances in hydrogen research as a therapeutic medical gas, Free radical research 44, 971-982 (2010).
40.
Y. Hong, S. Chen, J.M. Zhang, Hydrogen as a selective antioxidant: A review of clinical and experimental studies, Journal of International Medical Research 38, 1893-1903 (2010).
41.
Л.В. Селина, К.А. Мотовилов, Л.С. Ягужинский, К.И. Агладзе, Восстановление сократительной активности первичной культуры кардиомиоцитов крысы, подавленной ингибиторами митохондриальной NADH-дегидрогеназы, под влиянием гидрофильных хинонов. Труды МФТИ 5(1), 129-139 (2013).
42.
W. Palladin, Die Atmungspigmente der Pflanzen, Hoppe-Seyler´ s Zeitschrift für physiologische Chemie 55, 207-222 (1908).
43.
N.L. Gregory, Carbon tetrachloride toxicity and electron capture, Nature 212, 1460-1461 (1966).
44.
Z. Ovesná, K. Kozics, Y. Bader, P. Saiko, N. Handler, T. Erker, T. Szekeres, Antioxidant activity of resveratrol, piceatannol and 3, 3', 4, 4', 5, 5'-hexahydroxy-trans-stilbene in three leukemia cell lines, Oncology reports 16(3), 617-624 (2006).
45.
M. Murias, W. Jäger, N. Handler, T. Erker, Z. Horvath, T. Szekeres, et al. Antioxidant, prooxidant and cytotoxic activity of hydroxylated resveratrol analogues: structure–activity relationship, Biochemical pharmacology 69(6), 903-912 (2005).
46.
Z. Ovesna, K. Horvathova-Kozics, Structure-activity relationship of trans-resveratrol and its analogues, Neoplasma, 52(6), 450 (2005).
47.
Y. Rhayem, P. Thérond, L. Camont, M. Couturier, J.L. Beaudeux, A. Legrand et al. Chain-breaking activity of resveratrol and piceatannol in a linoleate micellar model, Chemistry and physics of lipids, 155(1), 48-56 (2008).
Цитирования
1.
Asfandiarov N.L., Pshenichnyuk S.A., Nafikova E.P., Vorob'ev A.S., Komolov A.S., Elkin Y.N., Modelli A., International Journal of Mass Spectrometry 412, 26-37 (2017).