Oxy phản ứng là quá trình gì? Sulforaphane có tác dụng chống lại các loại oxy phản ứng thật hay không? Phương pháp tính toán như thế nào để ra kết quả?
Tổng quan
Phản ứng của Sulforaphane – thành phần quan trọng nhất của bông cải xanh, với các gốc của nó đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng lý thuyết hóa học. Các phương pháp đáng tin cậy của lý thuyết hàm mật độ đã được sử dụng để nghiên cứu cơ chế phản ứng của Sulforaphane với các loại oxy phản ứng: • OH, • OCH3, • OOH và – O2. Ba cơ chế của phản ứng gốc đã được xem xét: hình thành cộng gốc (RAF), chuyển nguyên tử hydro (HAT) và chuyển đơn điện tử (SET). Tất cả các phản ứng được nghiên cứu đã được nghiên cứu trong pha khí, nước và dung dịch n-octanol. Nước được dùng làm mẫu cho huyết thanh máu và n-octanol bắt chước vai trò của môi trường lipid. Để thiết kế các phân tử hiệu quả hơn, một số dẫn xuất của Sulforaphane đã được nghiên cứu về khả năng hòa tan và các hoạt động chống oxy hóa. Năng lượng ổn định triệt để được sử dụng để nghiên cứu xác định khả năng loại bỏ gốc của Sulforaphane và các dẫn xuất của nó.
1. Phương pháp tính toán và đo lường
Lý thuyết G4, phương pháp B3LYP cùng với tập cơ sở 6-31G (2df, p) đã được sử dụng để xác định dạng hình học phân tử cân bằng theo khuyến nghị của Curtiss và đồng nghiệp của ông. Hệ số 0,9854 được sử dụng để chia tỷ lệ tần số dao động được tính toán ở cùng cấp độ lý thuyết. Xem xét các tần số được chia tỷ lệ này, năng lượng điểm 0 (ZPE) và các hiệu chỉnh nhiệt khác đã được tính toán. Hai phương pháp DFT đáng tin cậy và nổi tiếng của M06-2X và BMK đã được chọn để tính toán năng lượng điểm đơn lẻ bằng cách sử dụng tập cơ sở lớn là 6-311 + G (3df, 2p) và năng lượng được so sánh với kết quả của phương pháp G4MP2.
Kết quả sẽ được xem xét chi tiết trong Phần 2, phương pháp M06-2X thể hiện năng lượng tốt hơn phương pháp BMK so với kết quả G4MP2. Do đó, M06-2X đã được chọn để xác định năng lượng điểm đơn tốn nhiều thời gian hơn. Điều này phù hợp với Truhlar và Zhao, những người cũng chỉ ra rằng hai chức năng của M05-2X và M06-2X cung cấp hiệu suất tốt nhất cho năng lượng phản ứng liên quan đến các gốc. Năng lượng hóa giải được tính toán bằng cách sử dụng mô hình giải hóa phổ dựa trên mật độ điện tử chất tan (SMD) ở mức lý thuyết M05-2X / 6-31G (d) theo khuyến nghị của Truhlar và đồng nghiệp của ông. Gaussian 09 được sử dụng cho tất cả các phép tính ab Initio và DFT. Mật độ spin, năng lượng solvat hóa và log P đã được tính toán từ kết quả M06- 2X / 6-311 + G (3df, 2p). Ô nhiễm spin đã được kiểm tra cho tất cả các gốc, và các giá trị <S2> nằm trong khoảng 0,75–0,77 trong tất cả các trường hợp được nghiên cứu.
2. Kết quả và thảo luận
M06-2X, BMK và G4MP2 đã được sử dụng để tính toán sự thay đổi của năng lượng cho chín phản ứng gốc được nghiên cứu của Sulforaphane. Như trong Hình 1, có năm nguyên tử cacbon trong Sulforaphane có thể bị tấn công bởi các gốc, những nguyên tử cacbon này được đánh dấu là C1, C5, C8, C9 và C12.
Các chất cấp tiến có thể loại bỏ nguyên tử hydro khỏi các vị trí carbon này. Bên cạnh đó, có bốn vị trí có thể bị chiếm đóng bởi các phần tử gốc, được dán nhãn là C17, S18, N20 và S21. Trước hết, gốc được nghiên cứu là • OH và những thay đổi tính toán của năng lượng đối với gốc này được trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1 Sự thay đổi năng lượng (0 K, kJ mol-1) cho phản ứng của gốc hydroxyl với Sulforaphane tại các vị trí khác nhau (xem Hình 1) được tính tại M06-2X / 6-311 + G (3df, 2p) và BMK / 6-311 + G (3df, 2p) mức độ lý thuyết cùng với kết quả của G4MP2.
Hai phương pháp DFT của M06-2X và BMK cùng với G4MP2 đã được sử dụng để xác định sự thay đổi của năng lượng. Tập hợp cơ sở của 6-311 + G (3df, 2p) đã được chọn dựa trên một báo cáo trước đó. Kết quả của phương pháp DFT được so sánh với kết quả chính xác hơn của G4MP2. Như có thể thấy trong Bảng 1, sự thay đổi năng lượng M06-2X phù hợp với kết quả G4MP2 hơn BMK, do đó độ lệch tuyệt đối trung bình (MAD) đối với sự thay đổi của năng lượng tính theo M06-2X là xấp xỉ 6 kJ mol −1 nhỏ hơn MAD đối với sự thay đổi BMK của năng lượng. Do đó, M06-2X được chọn cho các phép tính điểm đơn lẻ hơn nữa.
Để khảo sát hoạt động chống oxy hóa của các phân tử, các cơ chế khác nhau thường được xem xét, một số cơ chế trong số đó là sự hình thành cộng hưởng gốc, chuyển nguyên tử hydro và chuyển điện tử đơn. Trong công trình này, các phản ứng của Sulforaphane với các gốc đã được nghiên cứu cẩn thận dựa trên các cơ chế này.
2.1. Các cơ chế phản ứng
2.1.1. Chuyển electron đơn (SET)
Cơ chế SET được xác định thông qua phản ứng này:
SF + R • → SF • + + R‾ R • = • OH, • OCH3, • OOH và O⋅− 2 (1)
Trong đó, SF và R • lần lượt biểu thị Sulforaphane và các gốc tự do được kiểm tra. Đối với tất cả các loại này được trình bày trong phương trình (1), tối ưu hóa hình học, tính toán tần số và năng lượng điểm đơn cùng với năng lượng giải đã được hoàn thành dựa trên các phương pháp được đề cập trong Phần 2. Tất cả năng lượng được chuyển đổi thành năng lượng tự do Gibbs theo công thức tiêu chuẩn của nhiệt động lực học hóa học và thống kê. Năng lượng tự do Gibbs được tính toán của tất cả các lọai được nghiên cứu ở dạng khí, nước và n-octanol được thể hiện trong hàng đầu tiên của Bảng 2.
Năng lượng tự do Gibbs của mỗi loại trong pha dung dịch thu được bằng tổng của năng lượng Gibbs ở pha khí và sự dung hòa năng lượng. Đối với cơ chế SET, năng lượng tự do Gibbs đối với tất cả các gốc được nghiên cứu trong cả khí pha và dung dịch, đều dương tính và do đó, sự tiến triển của phản ứng này không phải là tự phát trong điều kiện tiêu chuẩn. Do đó, cơ chế này đã bị loại trừ đối với hoạt động thu hồi gốc có thể có của Sulforaphane đối với các gốc đã được nghiên cứu.
Điều đáng chú ý là năng lượng solvat hóa làm giảm sự thay đổi pha khí của năng lượng trong cả dung dịch nước và dung dịch không chứa nước. Đối với trường hợp cụ thể của – O2, gốc này có thể phản ứng thông qua SET với tư cách là chất cho điện tử. Vì vậy, chúng tôi cũng đã xem xét phản ứng này cho cấp tiến này.
(2) SF + O2− → SF2− + O2
Sự thay đổi tính toán của năng lượng Gibbs cho phản ứng này cũng là dương. Do đó, cơ chế này cũng bị loại trừ.
2.1.2. Sự hình thành chất cộng gốc (RAF)
Một cơ chế khác đã được xem xét trong nghiên cứu này, được định nghĩa là:
SF + R⋅ → SF-R⋅ (3)
Trong cơ chế của RAF, các chất cộng gốc tạo thành Sulforaphane và một gốc mới được hình thành. Sulforaphane có năm vị trí bị tấn công bởi các gốc đối với cơ chế RAF, nằm trong gốc NCS (nguyên tử N, C và S) và gốc sulfonyl (nguyên tử S và O). Để xác định vị trí hoạt động thuận lợi nhất của Sulforaphane đối với cơ chế RAF, năng lượng đã được tính toán ở M06-2X / 6- 311 + G (2df, p) và nguyên tử cacbon của nhóm NCS (C17) đã được tìm thấy. năng lượng thấp nhất. Chi tiết của các tính toán này được bao gồm trong Thông tin hỗ trợ, Bảng S1. Đối với nguyên tử cacbon này, sự thay đổi năng lượng Gibbs của phản ứng (3) với các gốc nghiên cứu đã được tính toán và trình bày ở hàng thứ hai của Bảng 2. Xem xét kết quả, người ta có thể kết luận rằng sự thay đổi năng lượng Gibbs đối với các gốc hydroxyl và metoxy trong tất cả các pha khí, nước và n-octanol là âm tính và do đó, cơ chế này thuận lợi cho các gốc này. Đối với trường hợp của – O2 · sự thay đổi của năng lượng Gibbs là âm chỉ trong pha khí.
Bảng 2 Sự thay đổi của năng lượng tự do Gibbs (kJ mol-1) đối với phản ứng chuyển electron đơn (SET), phản ứng hình thành cộng gốc (RAF) và chuyển nguyên tử hydro (HAT) của Sulforaphane với các gốc được nghiên cứu trong pha khí (g), nước (w) và n-octanol (n-oct).
2.1.3. Sự chuyển giao nguyên tử hydro (HAT)
Để khảo sát sự loại bỏ gốc của Sulforaphane, chúng tôi cũng xem xét cơ chế HAT, dựa trên phản ứng sau:
SF + R⋅ → SF⋅ + RH (4)
Các gốc của các loại oxy phản ứng • OH, • OCH3, • OOH và – O2 · được chuyển đổi tương ứng thành H2O, HOCH3, H2O2 và – HO2, bằng cách loại bỏ một nguyên tử hydro khỏi Sulforaphane. Có năm nguyên tử hydro khác nhau trong Sulforaphane cần được loại bỏ bằng cách tấn công các gốc, được gắn với C1, C5, C8, C9 và C12. Như có thể thấy trong Bảng 2, việc loại bỏ nguyên tử hydro khỏi C12 là thuận lợi nhất cho tất cả các gốc. Trong khi đối với • OH và • OCH3 tất cả các vị trí đều thuận lợi dựa trên cơ chế HAT, không có vị trí nào thuận lợi cho – O2 · và • OOH và do đó cơ chế HAT bị loại trừ đối với hai gốc trước đó. Dung môi của n-octanol là dung môi tốt hơn để tấn công gốc • OCH3 và nước là dung môi tốt hơn cho gốc • OH theo Bảng 2.
Điều này cũng đúng với thực tế là gốc metoxy ít phân cực hơn gốc hydroxyl. Cũng cần lưu ý rằng khả năng quét gốc hydroxyl của Sulforaphane cao hơn các gốc khác dựa trên cơ chế HAT. Nói chung, Sulforaphane có thể dễ dàng quét các gốc • OH và • OCH3 thông qua cơ chế HAT theo quan điểm nhiệt động lực học. Sau khi chuyển một electron, một proton có thể được chuyển nhanh chóng. Cơ chế này được gọi là SEPT. Cơ chế này có thể được ưa chuộng bởi môi trường phân cực thúc đẩy quá trình solvat hóa các loại ion trung gian. Bước đầu tiên của cơ chế này là SET và vì SET loại trừ tất cả các gốc, SEPT cũng bị loại trừ.
2.2. Các chất mô tả tính chất chống oxy hóa
2.2.1. Năng lượng ổn định triệt để
Tính ổn định nhiệt động của một loài đề cập đến xu hướng trải qua một phản ứng hóa học của nó, như được đo trên cơ sở nhiệt động lực học. Đối với các gốc, độ ổn định nhiệt động thường được đặt tên là năng lượng ổn định. Các tính ổn định cơ bản tương đối được xác định liên quan đến một loài cụ thể, đơn giản hóa việc phân tích các xu hướng phản ứng cấu trúc. Cần lưu ý rằng việc đo độ ổn định cơ bản là không thể thực hiện trực tiếp hoặc có thể đi kèm với độ không đảm bảo đo lớn. Do đó, năng lượng ổn định gốc (RSE) là đại lượng nhiệt động lực học được sử dụng phổ biến nhất của tính ổn định gốc tương đối. Đối với gốc có trung tâm cacbon R •, RSE được định nghĩa là sự thay đổi của entanpi cho phản ứng sau:
H-CH3 + R • → RH + • CH3 RSE = ΔH ° (5)
RSE tiêu chuẩn cho thấy độ ổn định nhiệt động lực học của R • gốc so với • CH3 về phía phản ứng chuyển nguyên tử hydro. Năng lượng của Sulforaphane và các dẫn xuất của nó được tính ở mức M06-2X / 6-311 + G (3df, 2p) và năng lượng điểm 0 và hiệu chỉnh nhiệt được tính theo thứ tự B3LYP / 6-31G (2df, p) để chuyển đổi năng lượng thành entanpi. Sử dụng entanpi được tính toán, RSE thu được cho các phân tử được nghiên cứu, như được trình bày trong Bảng 3. Để khảo sát độ ổn định gốc của các dẫn xuất Sulforaphane, chúng tôi đã tính toán các giá trị RSE cho các dẫn xuất đó, với các nhóm thế OH và NH2 (Hình 2).
Hình 2. Các dẫn xuất đã nghiên cứu của Sulforaphane
Như có thể thấy trong Bảng 3, RSE tăng đối với SF-OH-1 và SFNH2 so với Sulforaphane. Do đó, một số dẫn xuất Sulforaphane như SF-NH2, có khả năng phản ứng với các gốc rất lớn và những hợp chất này được khuyến nghị cho các nghiên cứu sâu hơn. Khả năng điện tử của các nhóm này được cho là sẽ làm giảm bớt quá trình trừu tượng nguyên tử H. Điều đáng chú ý là tất cả các phép so sánh đều là sự trừu tượng hóa nguyên tử hydro của C12 khi có mặt các nhóm thế khác nhau.
Bảng 3 Năng lượng ổn định cơ bản (RSE) (kJ mol − 1), mật độ spin, năng lượng solvat hóa (kJ mol − 1) và giá trị log P của Sulforaphane và các dẫn xuất của nó được tính ở mức M06-2X / 6-311 + G ( 3df, 2p). Mật độ spin được tính toán cho vị trí hoạt động mạnh nhất của phân tử (C12) và cho sự thay thế của X = OH và NH2 cũng như nhóm NCS
2.2.2. Mật độ spin
Trong công trình hiện tại, chúng tôi cũng tính toán mật độ spin (SD) của các gốc được nghiên cứu, một đại lượng liên quan đến độ ổn định của gốc. SD được định nghĩa là sự khác biệt giữa mật độ electron α và β, do đó nếu SD được phân chia càng nhiều thì độ ổn định gốc càng tăng. Các gốc SD cho SF • dựa trên cơ chế HAT được tính toán ở mức lý thuyết M06-2X / 6- 311 + G (3df, 2p) và kết quả được thể hiện trong Hình 3.
Hình 3. Mật độ kéo sợi của các dẫn xuất của Sulforaphane
Phân tích mật độ spin cho thấy rằng electron chưa ghép đôi về cơ bản là được bản địa hóa trên trang web cực đoan hóa và trên nhóm NCS lân cận trong tất cả các dẫn xuất. Như có thể thấy từ hình này, SD được phân định nhiều hơn trên SFNH2, và điều này phù hợp với thực tế là gốc từ phân tử này là gốc ổn định nhất. Với sự phân chia electron, SD trên các nguyên tử nhóm thế và nhóm NCS tăng lên, điều đó có nghĩa là electron chưa ghép đôi được phân chia. Theo Bảng 3, mật độ spin trên C12 (xem Hình 1) cho các dẫn xuất được nghiên cứu theo thứ tự: SF-NH2 (0,85) <SF-OH-1 (0,90) <SF-OH-4 (0,94) <SF -OH-2 (0,95) <SFOH-3 (0,96) phù hợp với thứ tự RSE: SF-NH2 (107,1)> SFOH-1 (89,8)> SF-OH-4 (68,2)> SF-OH-2 (67,4)> SF-OH-3 (67,1) mà các số tính bằng kJ mol − 1.
2.2.3. Năng lượng hòa tan
Tính hòa tan trong nước là một tính chất quan trọng của các sản phẩm tự nhiên được sử dụng làm thuốc vì vậy các hợp chất có độ hòa tan cao hơn thường thuận tiện hơn khi sử dụng. Để nghiên cứu khả năng hòa tan của Sulforaphane và các dẫn xuất của nó, năng lượng hòa tan cũng được tính bằng phương pháp SMD, đã được Thruhlar và các đồng nghiệp của ông đưa ra. Tất cả các năng lượng solvat hóa được tính toán ở mức lý thuyết M05-2X / 6-31G (d) theo khuyến nghị và kết quả cũng được trình bày trong Bảng 3.
Cần lưu ý rằng tất cả các năng lượng solvat hóa đều đáng kể trong dung dịch nước, do đó tất cả các hợp chất được nghiên cứu dự kiến sẽ có khả năng hòa tan lớn trong nước. Trong số các hợp chất này, SFNH2 thể hiện một giá trị âm đáng kể của năng lượng solvat hóa trong nước và điều thú vị là SF-NH2 cũng cho thấy một giá trị lớn đối với RSE trong số các dẫn xuất được nghiên cứu. Để mô hình hóa môi trường lipid, n-octanol thường được tính đến [20,34]. Do đó, chúng tôi đã tính toán năng lượng hòa tan của các phân tử được nghiên cứu trong n-octanol và kết quả được thể hiện trong Bảng 3.
Năng lượng hòa tan âm cho thấy rằng các loài này cũng có khả năng hòa tan trong pha lipid. Để so sánh tốt hơn giữa năng lượng hòa tan của Sulforaphane và các dẫn xuất của nó trong nước và n-octanol, chúng tôi cũng tính toán các giá trị log P (P biểu thị hệ số phân chia n-octanol-nước) dựa trên phương trình sau:
Tất cả năng lượng solvat hóa và log P được thể hiện trong Bảng 3. Sulforaphane và tất cả các dẫn xuất của nó có log P trong khoảng từ −0,8 đến 0,5, do đó các hợp chất này có thể được coi là amphiphilic và có thể được coi là chất chống oxy hóa hòa tan trong tất cả các môi trường tế bào và mô; tuy nhiên, SF-NH2 với giá trị -0,8 lại ưa nước hơn ưa béo. Điều thú vị là SF-NH2 với RSE đáng kể cũng đặt ra giá trị âm đáng chú ý của ΔG (solv., Water). Do đó, dẫn xuất này được kỳ vọng là có khả năng hòa tan thuận lợi và khả năng quét các gốc tự do so với các dẫn xuất đã nghiên cứu khác.
3. Kết luận
Chúng tôi đã nghiên cứu tất cả các cơ chế có thể xảy ra như chuyển nguyên tử hydro (HAT), chuyển electron đơn (SET) và hình thành cộng gốc (RAF) của Sulforaphane với oxy phản ứng (ROS) trong dung dịch nước và n-octanol. Kết quả của chúng tôi cho thấy Sulforaphane có thể dễ dàng loại bỏ các gốc • OH và • OCH3 theo quan điểm nhiệt động lực học. Chúng tôi cũng phát hiện ra rằng cơ chế HAT được ưu ái hơn về mặt nhiệt động lực học so với các cơ chế được nghiên cứu khác. Năng lượng ổn định triệt để (RSE) của Sulforaphane và một số dẫn xuất của nó đã được tính toán và kết quả cho thấy sự hiện diện của nhóm NH2 làm tăng tiềm năng hoạt động chống oxy hóa của Sulforaphane. Năng lượng hòa tan cũng được tính toán và kết quả cho thấy rằng tất cả các phân tử được nghiên cứu đều hòa tan trong nước nhưng SF-NH2 thể hiện khả năng hòa tan đáng kể.
4. Các chủ đề liên quan
Dưới đây là một số bài viết về các chủ đề nghiên cứu có liên quan đến hoạt chất Sulforaphane và công dụng của chúng:
- Các nghiên cứu về các yếu tố ngoại sinh thúc đẩy hàm lượng Sulforaphane trong mầm bông cải xanh và ảnh hưởng của nó đối với dòng tế bào ung thư vú
- Tác dụng của Sulforaphane khi tập luyện sức đề kháng nặng
- Sulforaphane làm giảm căng thẳng oxy hóa và tình trạng viêm
5. Tham vấn chuyên môn
- Bác sĩ
- Nguồn tham khảo: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0969996121001765