مطالعه ی محاسباتی خواص آنتی اکسیدانی ویتامین E و توانایی آن در خنثی‌سازی رادیکال های آلکیل پراکسید

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

گروه شیمی، واحد تاکستان، دانشگاه آزاد اسلامی، تاکستان، ایران

چکیده

در این پژوهش، عملکرد آنتی اکسیدانی آلفاتوکوفرول، α-TOCO، یکی از گونه­ های فعال ویتامین E با رادیکال CCl3O2 با استفاده از نظریه تابعیت چگالی، DFT، و مدل پیوستار قطبش­پذیر شبه هادی، CPCM، در سطح نظری B3LYP/6-31G** و سه فاز مختلف گاز، روغن و آب مطالعه شده است. محاسبات انرژی برهمکنش نشان می­ دهد که بین رادیکال CCl3O2 و α-TOCO نیروی جاذبه وجود دارد و مقدار آن در فاز روغنی و آب بیش­تر از فاز گازی می­ باشد. مطالعه سازوکارهای انتقال الکترون، ربایش اتم هیدروژن و اضافه­ شدن رادیکال نشان می­ دهد که فرایند اضافه شدن رادیکال نسبت به دیگر واکنش­ ها از نظر ترمودینامیکی مطلوب­تر می­ باشد و فازهای روغنی و آبی هر دو فازهای مناسب برای انجام این نوع فرآیندها هستند. مقادیر کمیت­ های واکنش­ پذیر محاسبه شده نشان می­ دهد که α-TOCO در برابر رادیکال CCl3O2 تمایل به اکسیدشدن دارد که این تمایل در فاز آبی از همه بیشتر می­ باشد. همچنین با جذب رادیکال بر روی α-TOCO در هر فاز، خاصیت آنتی­ اکسیدانی α-TOCO کم می­ شود و الکترون­پذیرندگی آن افزایش می ­یابد. نتایج محاسبات نظریه تابعیت چگالی وابسته به زمان، TD-DFT، نشان می­ دهند که طول­ موج بیشینه جذب، λmax، و قدرت نوسانگر متناظر با آن، fmax، برای α-TOCO در فاز روغنی بیشتر از فاز گازی و آب می­ باشد.λmax و fmax ها با جذب رادیکال بر روی α-TOCO به­ طور قابل ملاحظه تغییر می ­کند و در فازهای روغنی و آبی،λmax  همتافت CCl3O2 و α-TOCO  نزدیک به طول موج نور قرمز رنگ می­ شود. نتایج حاصل از محاسبات اتم ­ها در مولکول ­ها، AIM، نشان می ­دهند که برهمکنش­ های ایجاد شده بین α-TOCO و رادیکال CCl3O2 در هر سه فاز از نوع پیوند هیدروژنی و واندروالسی است با این تفاوت که تعداد پیوندها و قدرت پیوندهای ایجاد شده به ترتیب از فاز روغنی به فاز آبی و از فاز آبی به فاز گازی کاهش می ­یابد. این نتیجه با مقادیر محاسبه ­شده برای انرژی ­های برهمکنش و مقادیر کمیت­ های ترمودینامیکی واکنش اضافه ­شدن رادیکال به α-TOCO مطابقت دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] شاکر حسینی، ر؛ آزاد بخت، م؛ ویتامین ­ها ،انتشارات گرایش، ص. 25، (1383).
[2] Singh V.K., Beattie L.A., Seed T.M., Vitamin E: Tocopherols and Tocotrienols as Potential Radiation Countermeasures, J. Radiat. Res., 54(6): 973–988 (2013).
[3] Leopoldini M., Marino T., Russo N., Toscano M., Antioxidant Properties of Phenolic Compounds:  H-Atom versus Electron Transfer Mechanism, J. Phys. Chem. A, 108(22): 4916–4922 (2004).
[4] Burton G.W., Doba T., Gabe E.J., Hughes L., Lee F.L., Prasad L., Autoxidation of Biological Molecules. 4. Maximizing the Antioxidant Activity of Phenols, J. Am. Chem. Soc., 107(24): 7053-7065 (1985).
[5] Burton G.W., Hughes L., Ingold K.U., Antioxidant Activity of Phenols Related to Vitamin E. Are There Chain-Breaking Antioxidants better than .Alpha.-Tocopherol?, J. Am. Chem. Soc., 105(18): 5950-5951 (1983).
[6] Burton G.W., Le Page Y., Gabe E.J., Ingold K.U., Antioxidant Activity of Vitamin E and Related Phenols. Importance of Stereoelectronic Factors, J. Am. Chem. Soc., 102(26): 7791-7792 (1980).
[7] Wright J.S., Carpenter D.J., McKay D.J., Ingold K.U., Theoretical Calculation of Substituent Effects on the O−H Bond Strength of Phenolic Antioxidants Related to Vitamin E, J. Am. Chem. Soc., 119(18): 4245-4252 (1997).
[8] James S. Wright, Erin R. Johnson, and Gino A. DiLabio, Predicting the Activity of Phenolic Antioxidants:  Theoretical Method, Analysis of Substituent Effects, and Application to Major Families of Antioxidants, J. Am. Chem. Soc., 123(6): 1173–1183 (2001).
[9] Klein E., Lukeš V., Ilčin M., DFT/B3LYP Study of Tocopherols and Chromans Antioxidant Action Energetic, Chem. Phys. 336(1): 51–57 (2007).
[10] Dündar Y., Aslan R., "Hekimlikte Oksidatif Stres ve Antioksidanlar", Afyon Kocatepe Universitesi Yayınları, Afyon, (2000).
[11] Montgomery R., Conway T.W., Spector MD A.A., Chappell MD D., "Biochemistry A Case-Oriented Approach", 6th ed. Mosby-Year book, 5: 203-204 (1996).
[13] Sies H., Strategies of Antioxidant Defense, Euro. J. Biochem., 215(2): 213-219 (1993).
[14] Özeki T., Funakoshi K., Lwaki K., Rapid Induction of Chirrosis by Administration of Carbon Tetrachloride Plus Phospholipase D, Br. J. Exp. Pathol., 66(4): 385–390 (1985).
[15] Masaiki N., Yamada S., Orgata I., Ohta Y., Fujiwara K., Enhancement of Carbon Tetrachloride Induced Liver Injury by Glucagon and Insulin Treatment, Res. Exp. Med. 188(1): 27-33 (1988).
[16] Bayraktar N., Duygulu S.D., Taslipinar M.Y., Ucankus N.L., Omeroglu S., Gumuslu S., Kavutcu M., Canbolat, O., Investigation of the Effects of Stobadine on the Antioxidant Enzymes in Carbon Tetrachloride Mediated Brain Toxicity, Türk. Biyokimya. Dergisi., 36(4): 283-289 (2011).
[17] Freeman B.A., Crapo J.D., Biology of Disease: Free Radicals and Tissue Injury, Lab Invest., 47(5): 412-426 (1982).
[18] Le Page R.N., Cheeseman K.H., Osman N., Slater T.F., Lipid Peroxidation in Purified Plasma Membrane Fractions of Rat Liver in Relation to the Hepatoxicity of Carbon Tetrachloride, Cell. Biochem. Funct., 6(2): 87-99 (1988).
[19] Slater T.F., Cheeseman K.H., Ingold K.U., Carbon Tetrachloride Toxicity as a Model for Studying Free-Radical Mediated Liver Injury, Philos. Trans. R. Soc. Lond., B, Biol. Sci., 311(1152): 633-645 (1985).
[20] Comporti M., Lipid Peroxidation and Cell-Ular Damage in Toxic Liver Injury, Lab Invest., 53(6): 599-623 (1985).
[21] Sun F., Hamagawa E., Tsutsui C., Evalutaion of Oxidative Stres Durinh Apoptosis and Necrosis Caused by Carbon Tetrachloride in Rat Liver. Biochimica at Biophysica Acta, 1535(2): 186-191 (2001).
[23] Chamulitrat W. Mason R.P., Lipid Peroxyl Radical Intermediates in the Peroxidation of Polyunsaturated Fatty Acids by Lipoxygenase, J. Biol. Chem., 264(35): 20968-20973 (1989).
[24] Marteau C., Favier D., Nardello-Rataj V., Aubry J-M., Dramatic Solvent Effect on the Synergy Between a-Tocopherol and BHT Antioxidants, Food Chem., 160: 190–195 (2014).
[25] Guerra M., Amorati R., Pedulli G.F., Water Effect on the O-H Dissociation Enthalpy of Para-Substituted Phenols: A DFT Study, J. Org. Chem., 69: 5460-5467 (2004).
[26] Martίnez A., Rodrίguez-Gironés M.A., Barbosa A., Costas M., Donator Acceptor Map for Carotenoids, Melatonin and Vitamins, J. Phys. Chem. A, 112: 9037–9042 (2008).
[27] Martίnez A., Barbosa A., Antiradical Power of Carotenoids and Vitamin E: Testing the Hydrogen Atom Transfer Mechanism, J. Phys. Chem. B, 112: 16945–16951 (2008).
[29] GaussView 03, Gaussian Inc., Pittsburg, PA 15106, USA.
[30] Frisch M.J. Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Petersson G.A., Nakatsuji H., Li X., Caricato M., Marenich A., Bloino J., Janesko B.G., Gomperts R., Mennucci B., Hratchian H.P., Ortiz J.V., Izmaylov A.F., Sonnenberg J.L., Williams-Young D., Ding F., Lipparini F., Egidi F., Goings J., Peng B., Petrone A., Henderson T., Ranasinghe D., Zakrzewski V.G., Gao J., Rega N., Zheng G., Liang W., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Throssell K., Montgomery J.A., Jr., Peralta J. E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Keith T., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Millam J.M., Klene M., Adamo C., Cammi R., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Farkas O., Foresman J.B., Fox D.J., Gaussian 09, Gaussian, Inc.: Wallingford, CT (2016).
[32] Becke A.D., A New Mixing of Hartree-Fock and Local Density‐Functional Theories, J. Chem. Phys., 98(2): 1372 (1993).
[33] Fukui K., Fujimoto H., "Frontier Orbitals and Reaction Paths (Selected Papers of K. Fukui)" World Scientific Series in 20th Century Chemistry, vol. 7. Singapore: World Scientific (1997).
[34] Rauk A. "Orbital Interaction Theory of Organic Chemistry" 2nd ed. New York: Wiley-Interscience (2001).
[37] Wang Y.G., Barnes E.C., Kaya S., Sharma V., The Reactivity of Ambident Nucleophiles: Marcus Theory or Hard and Soft Acids and Bases Principle?, J. Comput. Chem., 40(31): 2761-2777 (2019).
[38] Zhan C.G., Nichols J.A., Dixon D.A., Ionization Potential, Electron Affinity, Electronegativity, Hardness, and Electron Excitation Energy:  Molecular Properties from Density Functional Theory Orbital Energies, J. Phys. Chem. A., 107(20): 4184–4195 (2003).
[39] Mebi C.A., DFT Study on Structure, Electronic Properties, and Reactivity of Cis-Isomers of [(NC5H4-S)2Fe(CO)2], J. Chem. Sci., 123(5): 727–731 (2011).
[40] جوانشیر، ز؛ مطالعه ساختار مولکولی و اثرهای حلال روی ترکیب­های منتول و کارواکرول، مطالعه نظری، نشریه شیمی و مهندسی شیمی، 39(3): 131-140 (1399).
[42] Fekri, M.H., Beyranvand A., Dashti Khavidaki H., Razavi Mehr M., Cycloaddition [2+2] Interaction of some Corticosteroid Drugs with C60 Nano Fullerene- A Theoretical Study, Int. J. Nano Dimens., 12(2): 156-163 (2021).
[43] Singh B., Singh R., Singh B., Kumar D., Computational Investigation of Structure and Reactivity of Methyl Hydrazinecarbodithioate, Iran. J. Chem. Chem. Eng., 37(2): 117-131 (2018).
[44] Kumar Pandey A., Narayan Mishra V., Singh V., Biological, Electronic, NLO, NBO, TDDFT and Vibrational Analysis of 1-benzyl-4-formyl-1H-pyrrole-3-carboxamide, Iran. J. Chem. Chem. Eng., 39(1): 233-242 (2020).
[45] Martínez A. Melendez-Martínez A.J., Lycopene, Oxidative Cleavage Derivatives, and Antiradical Activity, Comput. Theor. Chem., 1077: 92 (2016).
[46] Martínez A., Rodríguez-Gironés M.A., Barbosa A., Costas M., Donator Acceptor Map for Carotenoids, Melatonin and Vitamins, J. Phys. Chem. A, 112: 9037–9042 (2008).
[47] Monego D.L., da Rosa M.B., do Nascimento P.C., Applications of Computational Chemistry to the Study of the Antiradical Activity of Carotenoids: A Review, Food. Chem., 217: 37 (2017).
[51] Rung E., Gross E.K.U., Density-Functional Theory for Time-Dependent Systems, Phys. Rev. Lett., 35(1): 442-444 (1984).
[52] Burke K., Werschnik J. Gross E.K.U. Time-Dependent Density Functional Theory: Past, Present, and Future, J. Chem. Phys., 123: 062206 (2005).
[55] Matta C.F., Boyd R.J., "An Introduction to the Quantum Theory of Atoms in Molecules", In: Matta C.F., Boyd R.J. (ed) "The Quantum Theory of Atoms in Molecules: From Solid State to DNA and Drug Design", 1st edn. Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Chapter 1, (2007).
[56] AIM 2000, Version 2, www.aim2000.de. Bielefeld, Germany, (2002).
[57] Hafez S.M.N.A., Elbassuoni E., Abdelzaher W.Y., Welson N.N., Batiha G.El-S., Alzahrani K.J., Abdelbaky F.A.F., Efficacy of Vitamin E in Protection against Methotrexate Induced Placental Injury in Albino Rats, Biomed. Pharmacother., 139: 111637 (2021).