КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ КЕМФЕРОЛА

АННОТАЦИЯ

Кемферол является биологически активным соединением класса флавоноидов, которые в большинстве случаев получают из различных частей растений или продуктов растительного происхождения, путем выделения из них [7]. Будучи фитоэстрогеном, кемферол является исходным реагентом синтеза многочисленных лекарственных средств или биологически активных добавок [4]. Большое количество доклинических исследований подтвердили положительную роль кемферола в профилактике и лечении рака молочной железы [3]. В последнее время все больше растет интерес к синтетическим лекарственным средствам и биологически активным добавкам природного происхождения без побочных действий на живой организм. Является актуальным проведение глубокого изучения квантово-химическими методами выявления метаболизма кемферола в любом организме посредством данных электронной структуры и реакционной способности. Сделанные в данной статье выводы могут быть полезными для выявления биологической активности ряда соединений класса флавоноидов.

ABSTRACT

Kaemferol is a biologically active compound of the flavonoid class, which are mostly obtained from various parts of plants or plant products, by isolation [7]. Being a phytoestrogen, kaemferol is the initial reagent for the synthesis of numerous drugs or dietary supplements [4]. A large number of preclinical studies have confirmed the positive role of kaemferol in the prevention and treatment of breast cancer [3]. Recently, there has been an increasing interest in synthetic drugs and dietary supplements of natural origin without side effects on the living organism. It is relevant to conduct a deep study using quantum-chemical methods to identify the metabolism of kaemferol in the body using data on the electronic structure and reactivity. The conclusions made in this article can serve as a scientific approach to identifying the biological activity of a number of flavonoid compounds.

Ключевые слова: кемферол, флавоноид, квантово-химический расчет, метод DFT-B3LYP, геометрия, электронное строение, молекулярные орбитали, реакционная способность, биологическая активность, радикал, антиоксидант, имунный сигнал, клеточный апоптоз, метаболизм, рак молочной железы.

Keywords: kemferol, flavonoid, quantum chemical calculation, DFT-B3LYP method, geometry, electronic structure, molecular orbitals, reactivity, biological activity, radical, antioxidant, immune signal, cellular apoptosis, metabolism, breast cancer.

Введение. Кемферол – полифенольное биологически активное соединение, природный флавонол, разновидность флавоноидов [7], его обычно выделяют из частей различных растений, таких как чай, шпинат капуста, бобы и другие, а также получают синтетическим путем. Также кемферол участвует в образовании хелатных комплексов с ионами металлов и легко инициирует процесс перекисного окисления липидов [4]. Феноксильный радикал легко реагирует со свободными радикалами, проявляя антиоксидантную активность. Также возможно и проявление прооксидантного эффекта, если феноксильный радикал взаимодействует с кислородом, что приводит к генерации активных форм кислорода [3]. Выраженная антиоксидантная активность характерна для кемферола, обладающего широким фармакологическим действием по отношению к воспалительным процессам, окислению и регуляции опухолей и вирусов [2]. Кемпферол оказывает положительное терапевтическое действие при заболевании печени защищая ее, посредством различных антиоксидантных и антиапоптотических механизмов [9]. Также он снижает иммунный воспалительный сигнал в печени, соответственно предотвращает клеточный апоптоз [6].

Постановка проблемы. Из-за высокой биологической активности кемферол широко используется в фармакологической и в медицинской практике, иногда в лечении трудноизлечимых заболеваний [5; 6; 11]. Теоретические исследования по выявлению механизма действия кемферола в живом организме не так многочисленны. Поэтому является актуальной теоретическое исследование структуры кемферола квантово-химическими методами, для установления реакционной способности посредством определения точной геометрии, распределения электронных зарядов и энергий граничных орбиталей [10].

Методика расчетов. В данной работе нами проведены квантово-химические исследования молекулы кемферола, для определения точной геометрии, электронной строении, реакционной способности и оценки биологической активности. Расчеты проведены по программе Gaussian98 методом DFT-B3LYP с использованием базисного набора 3-21G [8]. Условная нумерация атомов молекулы упрощает анализ полученных данных, однако такой метод удачно использован нами в работе [1].

1а                                                                                1b

Рисунок 1. Структура кемферола: 1а – нумерация, 1b – заряды на атомах

Обсуждение результатов. По результатам наших расчетов полная энергия системы равно Еп= -1023.272 а.е., а дипольный момент равен µ = 3.72Дб, который показывает на полярность молекулы. Ниже в таблицах приведены результаты нами проведенных квантово-химических расчетов.

Таблица 1.

Распределение зарядов на атомах, геометрические данные кемферола

Заряды на атомах. Распределение электронных зарядов дает возможность сделать вывод о зарядовом контроле реакций. Согласно данным таблицы 1, среди атомов цикла A, B и C кемферола на атоме О1 сосредоточен максимальный отрицательный заряд равной q=-0.626е. Заряд на атомах кислорода гидроксильных групп О17, О19, О20, О21 равен q = -0.616е, -0.575е, -0.597е и -0.599е соответственно, согласно которым атом О21 цикла С является самым реакционноспособным центром молекулы в реакциях контролируемые зарядами. Длина связей. Межатомные связи кольца А показывает, что связи С2-С3, С6-О1 намного укорочены и равны d= 1.35Å и 1.38Å; длина связей О1-С2, С3-С4, С4-С5, С5-С6 равны d=1.40Å, 1.47Å, 1.44Å, 1.41Å. Межатомные связи С7-С8, С9-С10, С10-С6 кольца B одинаковы и равны d=1.39Å, а длина связей C5-C7, C8-C9 равны d=1.42Å, 1.40Å соответственно. Межатомные связи С11-С12, С12-С13, С13-С14, С14-С15, С15-С16 кольца С близки по значению, симметрично относительно атома С14 и равны 1.41Å, 1.38Å, 1.40Å, 1.40Å, 1.39Å и 1.41Å. Длины экзоциклических связей С3-О17, С7-О19, С9-О20, С14-О21 равны 1.37Å, 1.37Å, 1.38Å, 1.38Å и длиннее чем длина карбоксильной группы С4-О18 равной d=1.26Å, согласно вышеприведенным табличным данным. Валентные углы. Величины валентных углов О1-С2-С3, C3-C4-C5 меньше и равны 118.28^о, 115.97^о, а значения углов С2-С3-С4, С5-С6-О1 чуть увеличены от значения sp² гибридизованных карбоциклов за счет сильного электронного эффекта экзоциклических фенильных, гидроксильных и карбонильных групп кольца А. Такую тенденцию меньшего отклонения от значения незамещенного ароматического кольца можно наблюдать в значениях валентных углов кольца B C. Например, при уменьшении значения углов С6-С5-С7, С9-С10-С6 равные φ=117.54^о, 118.95^о соответственно, остальные углы кольца В имеют стандартные значения, за исключением увеличения валентного угла С7-С8-С9 до 120.96^о. В замещенном ароматическом кольце С все валентные углы очень близки к 120^о, за исключением уменьшения угла С13-С14-С15, равной φ=119.22^о, в которой находится замещенная гидроксильная группа. Торсионные углы. Все значения как внутренних, так и внешних двугранных углов в циклах А, В, С очень близки значению 0^о или 180^о, которые свидетельствуют о планарном расположении всех атомов молекулы.

Молекулярные орбитали. Результаты исследования по изучению энергии, заселенности электронами и картины электронной плотности у граничных молекулярных орбиталей молекулы приведены на рис. 2. На рис. 2a и 2c представлены вид верхней заполненной молекулярной орбитали (ВЗМО) и низкой свободной молекулярной орбитали (НСМО) соответственно.

ВЗМО (2а)                    Энергия ГО (2b)                     НСМО (2c)

Рисунок 2. Вид и энергетическая диаграмма ГО Кемферола

Согласно рис 2а, атомы кислорода О17, О18, О21 кольца А и С по орбитальному контролю реакций является потенциальным центром для атаки электрофильными реагентами. Вклад атомов О19, О20 в образовании ВЗМО относительно малы, поэтому атака на эти центры, очевидно будет слабыми. На рис. 2b приведена энергетическая диаграмма молекулярных орбиталей. Энергетическая разница между граничными орбиталями составляет всего ΔЕ=Евзмо-Енсмо=0.14эВ, при этом, очевидно, при малых затратах соответствующей энергии в систему, электрон может легко переходит из ВЗМО на НСМО.

Выводы. Таким образом, на основе полученных данных можно заключить, что полифенольное строение; конденсированные замещенные кольца А и В; замещенная фенильная группа определяет высокую биологическую активность молекулы. При этом гидроксильные, карбонильные группы цикла А, С, в структуре кемферола приводят к сильному перераспределению электронных зарядов у атомов и электронной плотности у ГО и являются основными реакционными центрами. Соответственно, в процессе дальнейшего метаболизма в живом организме именно рассмотренные авторами статьи группы в большей степени могут активно участвовать в дальнейших биохимических процессах.

Список литературы:

1. Мамарахмонов М.Х., Кодиров А.А., Абдурахмонов А.А., Эшбоева Г.Р. Квантово-химическое исследование электронного строения биологически активного витамина В1 // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2024. – № 4(121). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/17361 (дата обращения 30.06.2024 г.).
2. Меньщиков Е.Б., Ланкин В.З., Зенков Н.К., Бондарь И.А., Круговых Н.Ф., Труфакин В.А.  Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты. – М.: Слово, 2006. – 556 с.
3. Рассыпнова С.С., Турецкова В.Ф., Зверев Я.Ф. Изучение противовоспалительного действия экстракта из коры Populus tremula (Salicaceae) и входящих в его состав фенольных соединений // Растительные ресурсы. – 2010. – Т. 46. – Вып. 3. – С. 103–108.
4. Стругар Й., Орлова А. А., Понкратова А. О., Уэйли А. К., Повыдыш М. Н. Выделение индивидуальных соединений из травы сабельника болотного (Comarum palustre L.) и установление их структуры спектроскопическими методами // Методы анализа лекарственных средств Analytical Methods. – 2020. – С. 177–184.
5. Чиряпкин А.С., Чиряпкин А.С., Золотых Д.С., Поздняков Д.И. Обзор биологической активности флавоноидов: кверцетина и кемпферола // Juvenis Scientia. – 2023. – Т. 9. – № 2. – С. 5–20.
6. Calderon-Montano J. M., Burgos-Moron E., Perez-Guerrero C., Lopez-Lazaro M. A Review on the Dietary Flavonoid Kaempferol (англ.) // Mini-Reviews in Medicinal Chemistry. – Vol. 11. – Iss. 4. – Pp. 298–344.
7. Delage B. Flavonoids // Linus Pauling Institute. – Oregon State University, Corvallis, Oregon. – Jan. 26. – 2021.
8. Frisch M.J.F., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A. Gaussian 98. Revision A. 5. Gaussian Inc. – Pittsburgh (PA), 1998.
9. Holland, T. M., Agarwal, P., Wang, Y., Leurgans, S. E., Bennett, D. A., Booth, S. L., & Morris, M. C. Dietary flavonols and risk of Alzheimer dementia // Neurology. – 2020-04-21. – Vol. 94. – Iss. 16. – P. e1749–e1756.
10. María Belén Ruiz. Chapter 6. Analytical evaluation of Hylleraas-CI Coulomb and Hybrid two-center integrals over Slater-type orbitals // Advances in Quantum Chemistry. – Vol. 88. – 2023. – Pp. 99–118.
11. Xiaolin Xiao. Old wine in new bottles: Kaempferol is a promising agent for treating the trilogy of liver diseases // Pharmacological Research. – 2022. – 01-01. – Vol. 175. – P. 106005.