Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do từ cây ma ranh bằng hóa học tính toán

Luận văn nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do, chống oxy hóa của các hợp chất từ cây ma ranh (C. sumatranus) bằng phương pháp hóa học tính toán.

• Tác giả: Lê Thị Xuân
• Người hướng dẫn: TS. Mai Văn Bảy
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do của một số hợp chất hữu cơ từ cây ma ranh (Cleistanthus sumatranus) bằng phương pháp hóa học tính toán
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cây Ma Ranh Cleistanthus sumatranus

Cây ma ranh (Cleistanthus sumatranus) là một loài thực vật có giá trị cao trong nghiên cứu hóa học tự nhiên. Đây là một trong những nguồn hợp chất hữu cơ quý giá, chứa các thành phần có hoạt tính sinh học mạnh mẽ. Cây ma ranh phân bố rộng rãi ở các khu vực nhiệt đới, đặc biệt là ở Đông Nam Á. Những hợp chất thiên nhiên từ cây này đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây. Việc khai thác tiềm năng của cây ma ranh không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao trong ứng dụng y học và công nghiệp dược phẩm.

1.1. Đặc điểm sinh học và sinh thái

Cây ma ranh có những đặc điểm sinh học độc đáo phù hợp với môi trường nhiệt đới. Nó có khả năng thích ứng tốt với các điều kiện khí hậu đa dạng và đất đai khác nhau. Đặc điểm sinh thái của cây này cho phép nó phát triển mạnh mẽ trong tự nhiên. Cấu trúc morphology của cây ma ranh với hệ rễ sâu và lá dày giúp nó tích lũy các hợp chất hữu cơ hiệu quả. Những đặc điểm này làm cho cây trở thành một đối tượng nghiên cứu lý tưởng cho các nhà hóa học.

1.2. Hoạt tính sinh học của Cleistanthus sumatranus

Các hợp chất được chiết xuất từ cây ma ranh thể hiện nhiều hoạt tính sinh học đáng chú ý. Đặc biệt, chúng có khả năng bắt gốc tự do mạnh mẽ, góp phần bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng hợp chất chống oxy hóa từ cây ma ranh có tác dụng hiệu quả trong việc trung hòa các gốc tự do độc hại. Những phát hiện này mở ra nhiều hướng ứng dụng trong phát triển các sản phẩm dược phẩm mới và thực phẩm chức năng.

II. Cơ chế bắt gốc tự do của hợp chất ma ranh

Khả năng bắt gốc tự do của các hợp chất hữu cơ từ cây ma ranh dựa trên các cơ chế hóa học phức tạp. Các hợp chất chống oxy hóa trong cây hoạt động thông qua nhiều đường dẫn phản ứng khác nhau. Nghiên cứu bằng phương pháp hóa học tính toán giúp làm sáng tỏ các cơ chế này ở mức độ phân tử. Các gốc tự do như peroxyl radicals (HOO•) được trung hòa thông qua quá trình chuyển hydrogen hoặc chuyển electron. Hiểu rõ cơ chế chống oxy hóa này là chìa khóa để tối ưu hóa việc sử dụng các hợp chất thiên nhiên từ cây ma ranh.

2.1. Cân bằng oxy hóa khử trong cơ thể

Cân bằng oxy hóa khử là một quá trình quan trọng duy trì sức khỏe tế bào. Các gốc tự do được tạo ra trong quá trình chuyển hóa năng lượng liên tục. Khi cân bằng oxy hóa khử bị phá vỡ, nó dẫn đến stress oxy hóa gây tổn thương DNA, protein và lipid. Các hợp chất chống oxy hóa từ cây ma ranh giúp khôi phục cân bằng oxy hóa khử bằng cách trung hòa gốc tự do dư thừa.

2.2. Các cơ chế chuyển hydrogen và chuyển electron

Nghiên cứu cho thấy khả năng bắt gốc tự do của hợp chất ma ranh xảy ra qua ba cơ chế chính: FHT (Formal Hydrogen Transfer), SET-PT (Single Electron Transfer - Proton Transfer) và SPLET (Sequential Proton Loss Electron Transfer). Cơ chế FHT là quá trình chuyển một hydrogen atom từ hợp chất chống oxy hóa đến gốc tự do. Các cơ chế này có độ hiệu quả khác nhau tùy thuộc vào môi trường phản ứng - dù ở môi trường không dung môi, môi trường lipid hay môi trường nước.

III. Phương pháp nghiên cứu và tính toán hóa học lượng tử

Để khảo sát chi tiết khả năng bắt gốc tự do của cây ma ranh, các nhà khoa học sử dụng phương pháp hóa học tính toán tiên tiến. Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) là phương pháp chính được áp dụng để tính toán các thông số nhiệt động học và động học phản ứng. Phương pháp này cho phép dự đoán chính xác cơ chế chuyển hydrogen và cơ chế chuyển electron giữa hợp chất chống oxy hóa và gốc tự do. Việc sử dụng hóa học tính toán giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với nghiên cứu thực nghiệm truyền thống.

3.1. Tối ưu hóa hình học và xác định trạng thái chuyển tiếp

Tối ưu hóa hình học là bước đầu tiên trong quá trình hóa học tính toán. Quá trình này xác định cấu trúc ba chiều ổn định nhất của các hợp chất hữu cơ và gốc tự do. Sau đó, các nhà khoa học xác định trạng thái chuyển tiếp - điểm năng lượng cao nhất trên đường phản ứng. Việc tính toán năng lượng hoạt hóa từ trạng thái chuyển tiếp này cho phép dự đoán hằng số tốc độ phản ứng và đánh giá khả năng bắt gốc tự do của các hợp chất.

3.2. Tính toán thông số nhiệt động học và động học

Các thông số nhiệt động học quan trọng bao gồm BDE (Bond Dissociation Enthalpy), PA (Proton Affinity) và IE (Ionization Energy). Những giá trị này quyết định khả năng phản ứng của hợp chất chống oxy hóa. Thông số động học như hằng số tốc độ k xác định tốc độ phản ứng giữa hợp chất ma ranh và gốc tự do HOO•. Việc tính toán hệ số chui hầm (tunneling coefficient) cũng rất quan trọng, đặc biệt cho các phản ứng liên quan đến chuyển hydrogen ở nhiệt độ thấp.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Các nghiên cứu về khả năng bắt gốc tự do của cây ma ranh trong các môi trường khác nhau (không dung môi, lipid, nước) cho thấy kết quả rất khả quan. Các hợp chất hữu cơ từ cây ma ranh thể hiện hoạt tính chống oxy hóa mạnh mẽ với hằng số tốc độ cao trong tất cả các môi trường nghiên cứu. Đặc biệt, trong môi trường lipid - môi trường liên quan đến sự bảo vệ màng tế bào, các hợp chất ma ranh thể hiện hiệu quả cao. Những phát hiện này mở ra triển vọng ứng dụng trong phát triển các sản phẩm chống oxy hóa tự nhiên, thuốc kéo dài tuổi thọ và thực phẩm chức năng.

4.1. So sánh hiệu quả trong các môi trường khác nhau

Khả năng bắt gốc tự do của hợp chất chống oxy hóa từ cây ma ranh khác nhau tùy thuộc vào môi trường phản ứng. Trong môi trường không dung môi, cơ chế chuyển hydrogen là chính yếu. Trong môi trường lipid, các hợp chất thể hiện hiệu quả cao trong bảo vệ lipid khỏi oxy hóa. Trong môi trường nước mô phỏng điều kiện sinh lý, các hợp chất ma ranh vẫn duy trì hoạt tính chống oxy hóa đáng kể. So sánh này giúp xác định hợp chất tối ưu nhất cho từng ứng dụng cụ thể.

4.2. Ứng dụng trong phát triển sản phẩm

Kết quả nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do của cây ma ranh có thể ứng dụng trong phát triển các hợp chất chống oxy hóa tự nhiên hiệu quả. Các hợp chất từ cây ma ranh có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng, mỹ phẩm chống lão hóa và dược phẩm bảo vệ tế bào. Việc hiểu rõ cơ chế hoạt động qua phương pháp hóa học tính toán cho phép tối ưu hóa chiết xuất và tinh sạch các hợp chất hoạt tính, nâng cao giá trị sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Vai trò của các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học Các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học đã cung cấp cho con người nhiều loại thuốc quý giá có tác dụng phòng và điều trị nhiều bệnh tật nguy hiểm như các chất kháng sinh điều trị các bệnh nhiễm khuẩn nguy hiểm, các corticosteroid chống viêm, chống dị ứng, các hormon steroid sinh dục chống lão hoá, tăng sinh lực, kéo dài tuổi thọ, các thuốc điều trị ung thư như vincaleucoblastin, vincaleucocristin từ lá dừa cạn, taxol từ thông đỏ, camptothecin từ cây camptotheca acuminate. Các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học không những được sử dụng rộng rãi trong y học mà còn được dùng phổ biến trong chăn nuôi, trồng trọt, thú y và mỹ phẩm [2]. Đặc biệt trong 20 năm trở lại đây, các hợp chất thiên nhiên còn được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả trong sản xuất các thực phẩm chức năng (functional food), bổ sung dinh dưỡng (dietary supplements) hay thực phẩm thuốc (neutraceuticals) là các sản phẩm nâng cao sinh lực, nâng cao sức khoẻ cho con người, chống oxy hoá, chống lão hóa, tăng cường miễn dịch, phòng và hỗ trợ điều trị bệnh tật, nâng cao tuổi thọ như các carotenoid, các flavonoid, các vitamin, các acid amin, các enzyme.

Cũng cần chú ý rằng, trong khoa học đã khám phá và sử dụng được nhiều hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học quý giá từ cây cỏ, động vật và vi sinh vật, nhưng thế giới sinh vật rất phong phú và đa dạng và còn nhiều loài sinh vật chưa được nghiên cứu khai thác, đặc biệt là các sinh vật biển, nhất là các sinh vật ở biển sâu [3]. Các hợp chất thiên nhiên được phân loại theo cấu tạo hoá học thành các nhóm chính: • Alkaloid • Terpenoid • Steroid • Flavonoid • Vitamin • Chất kháng sinh • Các acid béo chưa no và các prostaglandin • Các hormon 6 1. Cân bằng oxy hóa khử và chất chống oxy hóa 1. Cân bằng oxy hóa khử trong cơ thể Cân bằng oxy hóa trong cơ thể là một quá trình quan trọng, duy trì sự cân bằng giữa quá trình tạo ra và loại bỏ các gốc tự do và các dạng oxy hóa của các phân tử.

Cân bằng này đóng vai trò quan trọng trong duy trì sức khỏe và chức năng của các tế bào và mô trong cơ thể [4]. Cơ thể của chúng ta tự tạo ra các gốc tự do thông qua các quá trình tự nhiên như quá trình trao đổi chất, hấp thụ oxy từ không khí, và các quá trình sinh hóa. Các gốc tự do này có thể gây ra tổn thương tế bào và gây ra stress oxy hóa, gây hại cho cơ thể nếu không được kiểm soát. Để duy trì cân bằng oxy hóa, cơ thể sử dụng một hệ thống phòng ngự chống lại stress oxy hóa, bao gồm các chất chống oxy hóa như vitamin C, vitamin E, glutathione và enzyme chống oxi hóa như superoxide dismutase (SOD), catalase và glutathione peroxidase.

Những chất này giúp loại bỏ các gốc tự do và ngăn chặn sự tổn thương oxy hóa trong cơ thể. Nếu cân bằng oxy hóa bị phá vỡ, khi các gốc tự do vượt quá khả năng của hệ thống chống oxy hóa, có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe như viêm nhiễm, tiền động kinh, bệnh tim mạch và ung thư. Do đó, duy trì cân bằng oxy hóa là một phần quan trọng của việc duy trì sức khỏe và phòng tránh các bệnh lý [5]. Chất chống oxy hóa Chất chống oxy hóa rất cần thiết cho sự tồn tại của mọi sinh vật.

Cơ thể tự tạo ra chất chống oxy hóa như glutathione (chống oxy hóa tế bào). Thực vật, động vật, cũng như tất cả các dạng sinh vật sống khác, đều có khả năng tự chống lại các gốc tự do và tác hại của quá trình oxy hóa. Do đó, trong chúng đều chứa chất chống oxy hóa. Bổ sung đầy đủ chất chống oxy hóa là điều rất quan trọng [6].

Chất chống lại oxy hóa có hai loại, loại tan trong nước và loại tan trong chất béo. Loại chất hòa tan trong nước thực hiện các hoạt động của chúng trong chất lỏng bên trong và bên ngoài tế bào, trong khi loại hòa tan trong chất béo hoạt động chủ yếu trong màng tế bào. Các chất có tác dụng chống oxy hóa quan trọng trong chế độ ăn uống bao gồm: 7 • Vitamin C: đây là loại hòa tan trong nước, đồng thời là chất dinh dưỡng thiết yếu trong chế độ ăn uống. • Vitamin E: khác với vitamin C, vitamin E hòa tan trong chất béo này đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo vệ màng tế bào chống lại tác hại của quá trình oxy hóa.

• Flavonoid, flavon, catechin, polyphenol và phytoestrogen là tất cả các loại chất chống oxy hóa và dinh dưỡng thực vật, và chúng đều được tìm thấy trong thực phẩm có nguồn gốc thực vật. Cơ chế chống oxy hóa Quá trình chống oxy hóa có thể hoạt động theo một trong hai cách: ngắt mạch phản ứng hoặc ngăn chặn nó. Đối với phản ứng ngắt mạch, gốc tự do cho hoặc nhận một điện tử và bản thân hình thành một gốc tự do mới, tác dụng tương tự trên phân tử khác và tiếp tục cho đến khi gốc tự do hình thành được ổn định bằng chất chống oxy hóa.Ví dụ kinh điển về phản ứng oxy hóa dây chuyền là quá trình peroxy hóa lipid. Đối với cơ chế ngăn chặn chuỗi phản ứng, các enzyme có hoạt tính chống oxy hóa như superoxide dismutase, catalase và glutathione peroxidase có thể ngăn chặn quá trình oxy hóa bằng cách quét gốc tự do hoặc bằng cách ổn định các phức kim loại chuyển tiếp như đồng và sắt vốn là nguyên nhân gián tiếp tạo ra gốc hydroxyl HO● có hoạt tính cao thông qua các phản ứng Fenton [7].

Cơ chế chuyển hydrogen (Formal Hydrogen Transfer: FHT) Cơ chế FHT đề cập đến phản ứng chuyển nguyên tử hydro giữa hai phân tử. Thường gặp nhất là phản ứng FHT giữa một phân tử (A−H) với gốc tự do (R●). A−H + R● → A● + R−H Kết quả của phản ứng là nguyên tử hydrogen được chuyển từ phân tử A−H sang gốc tự do R●. FHT được xem là cơ chế chính trong hoạt động chống oxy hóa của các hợp chất, đặc biệt trong môi trường không phân cực.

Khả năng chống oxy hóa này liên quan đến sự đổng định của gốc A● được tạo thành sau phản ứng so với gốc R●. Khả năng phản ứng FHT của một phân tử được đặc trưng bằng năng lượng phân li của liên kết A−H. Năng lượng phân li liên kết (Bond Dissociation Energy: BDE) càng nhỏ thì khả năng tham gia phản ứng FHT của A−H càng lớn [8]. 8 Cơ chế chuyển electron – chuyển proton (Single Electron Transfer – Proton Transfer: SET-PT) Cơ chế này bao gồm hai giai đoạn liên tiếp.

Trong giai đoạn đầu tiên, một electron từ R-H được chuyển sang gốc tự do. Sau đó, trong giai đoạn thứ hai, một proton được chuyển giao. A−H + R● → A−H●+ + R− A−H●+ + R− → A● + R−H Tốc độ của cơ chế SET-PT phụ thuộc vào giai đoạn phản ứng khởi đầu, được xác định bởi khả năng chuyển electron của phân tử A−H, thể hiện qua năng lượng ion hóa (Ionization Energy: IE) của A−H [8]. Cơ chế chuyển proton – chuyển electron (Sequential Proton Loss – Electron Transfer: SPLET) Cơ chế SPLET bao gồm hai giai đoạn chính: chuyển proton và mất electron.

Ban đầu, phân tử (A−H) sẽ phân ly proton, sau đó là quá trình chuyển electron từ anion A− sang gốc tự do R●. Hai đại lượng nhiệt động học đặc trưng cho cơ chế này là ái lực proton (Proton Affinity: PA) và năng lượng chuyển electron (Electron Transfer Enthalpy: ETE). A−H → A− + H+ A− + R ● → A● + R − R− + H+ → R−H Cơ chế SPLET gần như không diễn ra trong môi trường không hoặc ít phân cực, vì bước phân li proton không thuận lợi trong các môi trường này [8]. Tổng quan về cây Cleistanthus sumatranus 1.

Đặc điểm sinh học và sinh thái Cleistanthus sumatranus là một loài cây thuộc chi Cleistanthus, họ Phyllanthaceae. Ở Việt Nam cây Cleistanthus sumatranus còn có tên gọi là cây ma ranh hay cây song de, phân bố ở các vùng núi từ Lạng Sơn đến Kiên Giang. Cây ma ranh là loài cây thân gỗ nhỏ, cao đến 10 m, lá đơn mọc cách, phiến lá mềm rũ xuống dạng thon nhỏ, đầu ngọn có màu xanh lục bóng, cây ra lá non quanh năm, cụm hoa đơn tính có 5 cánh, quả nang. Cây chịu bóng râm, dễ trồng, mọc khỏe, nhân giống chủ yếu bằng hạt [9].

Cây Cleistanthus sumatranus. Hoạt tính sinh học của Cleistanthus sumatranus Các nghiên cứu trước đã phát hiện rằng cây Cleistanthus sumatranus chứa nhiều hợp chất phenolic, alkaloid, glucoside, furofuran oid và dibenzyl butane lignan. Trong số này, hai diphyllin glycoside, cleistanthin A và B, được biết đến với tiềm năng chống ung thư và đã thu hút sự quan tâm sâu rộng từ cộng đồng dược lý và hóa dược [10]. Gần đây, nghiên cứu của Yue và đồng nghiệp đã tiến hành phân lập thành công 10 hợp chất phenolic mới từ cây Cleistanthus sumatranus (Hình 1.

Các cấu trúc của các hợp chất này đã được xác nhận thông qua phân tích dữ liệu quang phổ, dữ liệu tinh thể học tia X và phổ ECD. Theo kết quả thử nghiệm ức chế miễn dịch, các hợp chất 1-3, 6, 7 và 9 đã được chứng minh có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào T được kích thích bởi ConA với giá trị IC50 từ 10.2 µM và sự phát triển của tế bào B được kích thích bởi LPS với giá trị IC50 nằm trong khoảng từ 2. Sự tăng sinh của tế bào lympho B bị ức chế ở mức vừa phải bởi hợp chất 3 và 9, với giá trị IC50 lần lượt là 2. Các hợp chất này có thể có các đặc tính chống oxy hóa mạnh như các hợp chất phenolic khác, tuy nhiên, đặc tính chống oxy hóa của chúng vẫn cần được nghiên cứu thêm.

Các hợp chất được phân lập từ Cleistanthus sumatranus. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Ngoài nước Chất chống oxy được nghiên cứu và ứng dụng vào trong thực tiễn cuộc sống, có vai trò nhất định đối với con người, vì vậy có rất nhiều bài nghiên cứu về hoạt tính chống oxy hóa trong hợp chất thiên nhiên. Một số nghiên cứu về các chất chống oxy hóa trong thực vật: Nghiên cứu của Podkowa, Adrian về đánh giá các hợp chất hữu cơ và nguyên tố sinh học có hoạt tính chống oxy hóa trong nấm dược liệu[12].

Nghiên cứu của Ballus, Cristiano Augusto về khả năng chống oxy hóa của các hợp chất phenol có trong dầu oliu nguyên chất theo cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen[13].