Nghiên cứu cơ chế & động học bắt gốc tự do của Phenolic Acid bằng hóa tính toán

Khám phá cơ chế và động học quá trình bắt gốc tự do của phenolic acid qua phương pháp hóa tính toán. Luận văn phân tích chi tiết hoạt tính.

• Tác giả: Dương Thị Thúy Hòa
• Người hướng dẫn: TS. Võ Văn Quân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Cơ Chế Và Động Học Quá Trình Bắt Gốc Tự Do Của Một Số Phenolic Acid Bằng Phương Pháp Hóa Tính Toán
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Khái Niệm Cơ Bản Về Phenolic Acid Và Gốc Tự Do

Phenolic acid là những hợp chất hữu cơ chứa nhóm hydroxyl (-OH) gắn trực tiếp vào vòng benzen, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tế bào khỏi tác hại của gốc tự do. Gốc tự do là những phân tử hoặc ion có electron không cặp, thường được sinh ra từ các quá trình chuyển hóa trao đổi chất bình thường hoặc từ các tác nhân môi trường. Sự tích tụ của gốc tự do dẫn đến stress ôxy hóa, gây hại cho protein, DNA và các thành phần sinh học khác. Các phenolic acid tự nhiên, đặc biệt là mono caffeoylquinic acid (CQAs), có khả năng bắt các gốc tự do hiệu quả bằng cách cung cấp electron hoặc hydrogen. Việc hiểu rõ cơ chế này thông qua hóa tính toán giúp dự đoán hoạt tính sinh học và ứng dụng trong y dược cũng như công nghiệp thực phẩm.

1.1. Định Nghĩa Phenolic Acid Và Tính Chất Hóa Học

Phenolic acid là các hợp chất có cấu trúc benzene với các nhóm hydroxyl và carboxyl. Chúng tồn tại rộng rãi trong thực vật như cà phê, trà, rau xanh. Các phenolic acid này có tính chất kháng ôxy hóa mạnh do khả năng dễ dàng mất electron hay proton. Các nhóm O6'-H và O7'-H trên cấu trúc là những vị trí hoạt động chính, quyết định khả năng bắt gốc tự do của chúng.

1.2. Khái Niệm Gốc Tự Do Và Stress Ôxy Hóa

Gốc tự do như HOO là những phân tử có electron không cặp, rất phản ứng. Chúng gây stress ôxy hóa bằng cách tấn công các biomolecules. Stress ôxy hóa liên quan đến nhiều bệnh lý như ung thư, tim mạch, và lão hóa. Chất chống ôxy hóa từ phenolic acid giúp trung hòa các gốc này thông qua các cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen (FHT) hoặc phân ly proton electron (SPLET).

II. Cơ Chế Bắt Gốc Tự Do Của Phenolic Acid

Cơ chế bắt gốc tự do của phenolic acid chủ yếu diễn ra thông qua quá trình chuyển nguyên tử hydrogen (FHT), trong đó một nguyên tử hydrogen từ nhóm -OH được chuyển đến gốc tự do HOO, tạo thành một phân tử ổn định hơn. Quá trình này phụ thuộc vào năng lượng liên kết (BDE) - thế năng cần thiết để phá vỡ liên kết O-H. Phenolic acid có BDE thấp sẽ bắt gốc tự do hiệu quả hơn. Ngoài ra, năng lượng ion hóa (IE) cũng ảnh hưởng đến khả năng mất electron. Các tính toán lý thuyết sử dụng hàm tính toán M06 và M06-2x giúp dự đoán chính xác các thông số nhiệt động này. Trong các môi trường khác nhau (pha khí, lipid, nước), cơ chế bắt gốc tự do có thể khác nhau, ảnh hưởng đến hằng số tốc độ phản ứng và hiệu quả kháng ôxy hóa.

2.1. Cơ Chế Chuyển Nguyên Tử Hydrogen FHT

Cơ chế FHT là quá trình hydrogen từ phenolic acid chuyển trực tiếp đến gốc tự do HOO. Điều này được quyết định bởi BDE (Bond Dissociation Energy) của liên kết O-H. Các nhóm O6'-H và O7'-H là vị trí chính bắt gốc tự do. Hợp chất 3 với BDE thấp nhất có khả năng bắt gốc HOO mạnh nhất trong pha khí, với koverall = 1,81×10⁷ M⁻¹s⁻¹.

2.2. Vai Trò Của Năng Lượng Liên Kết Và Năng Lượng Ion Hóa

BDE và IE là những thông số nhiệt động học quan trọng xác định khả năng bắt gốc tự do. BDE thấp hơn có nghĩa là dễ dàng mất hydrogen. IE thấp hơn cho phép dễ dàng mất electron. Các tính toán lý thuyết sử dụng phương pháp DFT với hàm M06/M06-2x giúp tính toán chính xác các thông số này, từ đó dự đoán năng lượng Gibbs của phản ứng bắt gốc tự do.

III. Ảnh Hưởng Của Môi Trường Đến Quá Trình Bắt Gốc Tự Do

Môi trường xung quanh có ảnh hưởng lớn đến quá trình bắt gốc tự do của phenolic acid. Trong pha khí, cơ chế chủ yếu là FHT với hằng số tốc độ cao (koverall = 1,81×10⁷ M⁻¹s⁻¹). Trong môi trường lipid (pentyl ethanoate mô phỏng cơ thể), quá trình bắt gốc vẫn diễn ra theo FHT nhưng hằng số tốc độ thấp hơn (1,09×10⁴-1,93×10⁴ M⁻¹s⁻¹), do sự cân bằng giữa sự đi vào và ổn định của các phân tử. Trong môi trường nước ở pH = 7.4, phenolic acid tồn tại dưới dạng dialanion (HA²⁻) và anion (A³⁻), làm thay đổi cơ chế bắt gốc. Hợp chất 2 có khả năng bắt gốc tự do nhanh nhất trong nước với koverall = 5,32×10⁸ M⁻¹s⁻¹. Sự khác biệt này cho thấy tầm quan trọng của việc tính toán động học trong các môi trường thực tế để dự đoán hoạt tính kháng ôxy hóa chính xác.

3.1. Đặc Tính Trong Pha Khí Và Môi Trường Lipid

Trong pha khí, phenolic acid thể hiện khả năng bắt gốc tự do tối ưu nhất do không có sự can thiệp của các phân tử dung môi. CQAs bắt gốc HOO chủ yếu thông qua FHT với hằng số tốc độ cao. Trong pentyl ethanoate (mô phỏng môi trường lipid), tốc độ giảm do viscosity cao và cấu trúc 3D phức tạp, nhưng vẫn duy trì cơ chế FHT hiệu quả.

3.2. Ảnh Hưởng pH Và Trạng Thái Ion Hóa Trong Nước

Trong nước ở pH = 7.4, phenolic acid tồn tại chủ yếu dưới dạng dialanion (HA²⁻) và anion (A³⁻). Trạng thái deprotonated này tăng cường khả năng bắt gốc tự do, với hằng số tốc độ rất cao (~10⁸ M⁻¹s⁻¹). Sự phân ly proton ở pH cao làm tăng hiệu quả kháng ôxy hóa của phenolic acid trong môi trường sinh học thực tế.

IV. Ứng Dụng Hóa Tính Toán Trong Dự Đoán Hoạt Tính Kháng Ôxy Hóa

Hóa tính toán là công cụ mạnh mẽ để dự đoán và hiểu rõ cơ chế bắt gốc tự do của phenolic acid mà không cần thực hiện các thử nghiệm phức tạp. Phương pháp DFT (Density Functional Theory) với các hàm M06 và M06-2x cho phép tính toán chính xác các thông số nhiệt động học như BDE, IE, PA (Proton Affinity) và năng lượng Gibbs. Các tính toán động học sử dụng transition state theory giúp dự đoán hằng số tốc độ phản ứng trong các môi trường khác nhau. Phần mềm Gaussian 16 và Gaussview 6 là những công cụ tiêu chuẩn trong lĩnh vực này. Kết quả cho thấy rằng hợp chất 2 và 3 là những chất chống ôxy hóa hiệu quả nhất, có thể được ứng dụng trong phát triển thuốc, thực phẩm chức năng và mỹ phẩm để chống lão hóa và các bệnh liên quan đến stress ôxy hóa. Phương pháp này cũng hỗ trợ thiết kế phân tử mới với hoạt tính kháng ôxy hóa tốt hơn.

4.1. Quy Trình Tính Toán Và Phần Mềm Sử Dụng

Hóa tính toán bao gồm các bước: tối ưu hóa cấu trúc phân tử, tính toán các thông số nhiệt động học (BDE, IE, PA), và tính toán động học (hằng số tốc độ). Gaussian 16 là phần mềm ab initio tiêu chuẩn, Gaussview 6 để hiển thị cấu trúc. Các hàm DFT như M06 phù hợp cho hệ thống sinh học phức tạp, cho phép dự đoán chính xác hoạt tính kháng ôxy hóa.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Y Dược Và Công Nghiệp

Kết quả hóa tính toán cho thấy CQAs là những chất chống ôxy hóa tự nhiên hiệu quả, có tiềm năng ứng dụng cao. Chúng có thể được sử dụng trong phát triển các loại thuốc chống lão hóa, ung thư, và bệnh tim mạch. Trong công nghiệp thực phẩm, các kết quả này hỗ trợ phát triển thực phẩm chức năng giàu chất chống ôxy hóa tự nhiên, và trong mỹ phẩm để tạo các sản phẩm chuyên sâu chống lão hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu , kí hiệu các chữ viết tắt, danh mục các bảng, hình vẽ, sơ đồ, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, danh mục công trình khoa học đã công bố, phụ lục. Luận văn đƣợc chia làm các chƣơng nhƣ sau : Chƣơng 1 : Tổng quan về hệ chất nghiên cứu Chƣơng 2 : Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3 : Kết quả và thảo luận 5 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU 1. Một số khái niệm 1.

Chất chống oxy hóa Chất chống oxy hóa là loại hóa chất giúp ngăn chặn hoặc làm chậm quá trình oxy hóa chất khác. Đối với sinh vật, chất chống oxy hóa ngăn quá trình tạo các gốc tự do phá hủy tế bào bằng cách khử đi các gốc tự do, kìm hãm sự oxy hóa. Các chất chống oxy hóa nhƣ là vitamin E, vitamin C và các khoáng chất nhƣ Selen đƣợc đƣợc vào chế độ ăn uống của chúng ta. Gốc tự do Gốc tự do có thể là một phân tử hoặc các mảnh phân tử chứa một hoặc nhiều electron độc thân và có khả năng tồn tại độc lâp.

Các gốc tự do là đƣợc hình thành từ các phân tử bằng sự phân cắt đồng phân của một liên kết hóa học và thông qua các phản ứng oxy hóa khử [7]. Chuỗi phản ứng liên tục tạo ra gốc tự do ở cả cơ thể sinh vật và trong quá trình chế tạo vật liệu. Những gốc tự do do tính chất dễ phản ứng của nó tiếp tục phản ứng với các cấu tử khác, chẳng hạn nhƣ phân tử hoặc gốc tự do, cho đến khi không còn tác nhân hoặc những gốc tự do hoàn toàn bị phá huỷ. Việc tồn tại lƣợng lớn các gốc tự do trong cơ thể có thể là nguyên nhân gây nên các bệnh nhƣ ung thƣ [24].

Năng lƣợng liên kết (BDE) Năng lƣợng phân ly liên kết (BDE) là năng lƣợng cần thiết để phá vỡ một liên kết hóa học tạo thành các gốc tự do. Năng lƣợng phân ly liên kết càng lớn thì liên kết càng khó bị phá vỡ. Ái lực proton (PA) Ái lực proton (PA) là năng lƣợng tối thiểu cần thiết để tách một proton ra khỏi phân tử. Ái lực proton càng lớn thì càng khó tách proton ra khỏi phân tử.

Năng lƣợng ion hóa (IE) Năng lƣợng ion hóa (IE) là năng lƣợng tối thiểu cần để tách một electron ra khỏi phân tử ở trạng thái cơ bản. Năng lƣợng ion hóa càng lớn thì electron càng khó bị tách ra khỏi phân tử. Tổng quan về hợp chất phenolic acid tự nhiên và mono caffeoylquinic acid 1. Giới thiệu về mono caffeoylquinic acid Phenolic acid là một họ hợp chất hữu cơ trong phân tử chứa nhóm chức phenol và nhóm COOH.

Nó đƣợc tìm thấy trong hầu hết cả các loại thực phẩm có nguồn gốc thực vật và chiếm một phần lớn trong chế độ ăn uống của con ngƣời. Mức tiêu thụ phenolic acid điển hình hàng ngày ở ngƣời đƣợc ƣớc tính là khoảng 6 200 mg, tùy thuộc vào kiểu thức ăn và sở thích [73]. Phenolic acid chiếm 30% trong các polyphenol, các nghiên cứu gần đây cho thấy lợi ích tiềm tàng của phenolic acid mang lại nhƣ là chất chống oxy hóa chống lại các bệnh nhƣ ung thƣ, đái tháo đƣờng, tăng huyết áp,.Phenolic acid có thể đƣợc chia thành hai nhóm chính, hydroxybenzoic acid và hydroxycinnamic acid. Về mặt hóa học, các hợp chất cacboxylic acid này có ít nhất một chất thơm vòng trong đó ít nhất một hydro đƣợc thế bởi một nhóm hydroxyl [37].

Mono caffeoylquinic acid (CQAs) là những phenolic acid tự nhiên quan trọng và phân bố rộng rãi trong thực vật. CQAs đƣợc coi là có lợi cho sức khỏe con ngƣời. Các hợp chất này có hoạt tính sinh học cao đặc biệt là hoạt tính kháng oxy hóa, vì vậy chúng đƣợc ứng dụng thƣơng mại trong dƣợc phẩm, thực phẩm và mỹ phẩm [84,87]. CQAs là este của axit caffeic và axit quinic, đƣợc phát hiện vào năm 1932, chúng thƣờng tồn tại dƣới dạng 3-O-caffeoylquinic acid (3CQA) hay là neochlorogenic acid, 4-O-caffeoylquinic acid (4CQA) hay cryptochlorogenic acid và 5-O-caffeoylquinic acid (5CQA) hoặc axit chlorogenic [87].

Tính chất của mono caffeoylquinic acid Các hợp chất CQAs là các polyphenol, do đó có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại – khả kiến (UV - Vis). Tuy nhiên, CQAs khá nhảy cảm với ánh sáng và không ổn định về mặt hóa học. Đặc tính bảo vệ thực vật: CQAs thƣờng tham gia chống lại các bức xạ tia cực tím hoặc chống lại sự xâm nhập của mầm bệnh. Sự chuyển hóa CQAs không chỉ có tác dụng bảo vệ cơ chế chống lại các stress sinh học và phi sinh học mà còn góp phần vào sự sinh trƣởng và phát triển bình thƣờng của cây trồng [11].

Độ hòa tan: CQAs thƣờng hòa tan trong các dung môi phân cực, khả năng hòa tan trong nƣớc tăng lên theo tùy số lƣợng nhóm hydroxyl. Mỗi phân tử mono có năm liên kết đôi liên hợp, các liên kết liên hợp này có vai trò ổn định các gốc tự do bằng cộng hƣởng nên nó có khả năng chi phối hoạt tính sinh học của chúng. Và việc CQAs có liên kết đôi liên hợp giải thích đƣợc CQAs có mức độ este hóa cao hơn và có khả năng giảm stress oxy hóa cao hơn bằng cách loại bỏ gốc tự do. Cấu trúc hóa học: CQAs bao gồm axit quinic ((1S, 3R, 4S, 5R)-1,3,4,5- tetrahydroxylcyclohexane-1-carboxylic acid) đƣợc acyl hóa với một đến bốn gốc 7 caffeic acid.

Caffeic acid sở hữu bốn lập chất lập thể (C1, 3, 4, 5). Mỗi vị trí trong số này đƣợc thay thế bằng caffeic acid bao gồm monoCQA, diCQA, triCQA và tetraCQA [4]. Tính axit: Các CQAs là các phenolic acid, có khả năng phân li proton ở nhóm chức COOH và chức OH. Vì vậy trong môi trƣờng nƣớc, các acid CQAs có thể tồn tại các trạng thái khác nhau (trung hòa và anion).

Đối với 3-O- caffeoylquinic acid có giá trị pKa1 = 3,95; 4-O-caffeoylquinic acid giá trị pKa1 = 4,14 và 5-O-caffeoylquinic acid có giá trị pKa1 = 3,95. Trong khi đó giá trị pKa2 của 3 hợp chất có giá trị nằm trong khoảng 7,97 đến 8,22. Và với giá trị pka3 nằm trong khoảng 12,27 đến 12,59. Hoạt tính sinh học Hợp chất phenolic acid thƣờng đƣợc đƣa vào chế độ ăn uống của con ngƣời và phần lớn đƣợc nghiên cứu hoạt tính sinh học của chúng nhƣ chất chống oxy hóa, chất chống ung thƣ, đặc tính kháng khuẩn và nhiều đặc tính khác.

Ngoài tác dụng cầm máu, phenolic acid còn có khả năng chống lại tế bào ung thƣ tuyến tuyền liệt hay nó còn là một ứng cử viên điều trị khối u não ngăn chặn khả năng sống sót của tế bào, xâm lấn và hình thành các tế bào u thần kinh có ở con ngƣời [4]. Ở một nghiên cứu khác, phenolic acid cũng có thể ngăn chặn tế bào ung thƣ cổ tử cung Hela và ngăn chặn chống lại các dòng tế bào ung thƣ đại tràng, và nó còn có tác dụng chống thấp khớp, giảm đau, hạ sốt, chống viêm và sát trùng. Ngoài ra một số phenolic acid cũng có hoạt tính chống sán và tẩy giun sán, đồng thời ngăn chặn quá trình xơ hóa gan trong tổn thƣơng gan mãn tính [37]. Trong hợp chất phenolic acid thì caffeic acid một trong những cinnamic acid tự nhiên nổi bật nhất đƣợc biết có tác dụng ngăn chặn quá trình sinh tổng hợp leukotrienes, các thành phần liên quan đến điều hòa miễn dịch, bệnh hen suyễn và dị ứng [4].

CQAs đƣợc phân bố khá rộng rãi trong đời sống con ngƣời nên nó có vai trò quan trọng đối với sức khỏe của con ngƣời và đƣợc tìm thấy trong các thành phần trong chế độ ăn uông đƣợc chú ý ở những năm gần đây. Theo các nghiên cứu dịch tễ học, hấp thụ các CQAs sẽ giảm đƣợc nguy cơ mắc các bệnh tim mạch ngăn ngừa đƣợc bệnh ung thƣ [4]. CQAs có nhiều đặc tính sinh học bao gồm kháng khuẩn, chống oxy hóa, chống tăng đƣờng huyết, bảo vệ tế bào gan và các đặc tính chống đột biến. Chúng cũng chống lại virus herpes simplex ở ngƣời, virus adeno, SARS và AIV( H5N1) [16].

CQAs đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi nhƣ một dƣợc phẩm dinh dƣỡng để điều trị hội chứng chuyển hóa và các rối loạn liên quan nhƣ đái tháo đƣờng, béo phì, rối loạn lipid máu và tăng huyết áp với một số kết quả đƣợc điều tra khá tốt. Có ý kiến cho rằng CQAs làm giảm rủi ro phát triển bệnh tiểu đƣờng loại 2 bằng cách kích hoạt adenosine monophosphate kinase (AMPK), trong đó AMPK đóng vai trò là chuyển đổi giữa chi tiêu ATP và sản xuất ATP [72]. Tuy nhiên, hiện 8 nay vẫn còn một số tranh cãi về hoạt tính sinh học của phenolic acid cũng nhƣ CQAs sau quá trình chuyển hóa. Sau khi ăn vào thì các phân tử đƣợc chuyển hóa và biến đổi các chất chuyển hóa bị methyl hóa, glu-coronated và sunfat hóa.

Phản ứng liên hợp Glucuronidated và sunfat hóa tác động đáng kể đến hoạt tính sinh học của phenolic acid. Những thay đổi trong cấu trúc của nó có thể làm tăng lên hoặc giảm xuống hoạt tính sinh học của CQAs ban đầu[67]. CQAs đƣợc tìm thấy trong thành phần đặc trƣng của quả Xanthium strumarium L.Asteraceae một loại quả đã đƣợc sử dụng để điều trị nhiều bệnh trong y học dân gian Trung Quốc, bao gồm viêm mũi dị ứng, viêm tai giữa, viêm khớp, ozena,…[66]. Các triệu chứng của viêm mũi dị ứng (AR) đặc trƣng là hắt hơi, sổ mũi, chảy nƣớc mũi và nghẹt mũi, có thể ảnh hƣởng nghiêm trọng đến cuộc sống hằng ngày của bệnh nhân AR và dẫn đến đau đầu, khó chịu, giảm cảm xúc và giảm chất lƣợng giấc ngủ cũng nhƣ hiệu suất học tập và công việc [45].

Hiện nay, bên cạnh việc tránh chất gây dị ứng, ngƣời ta coi thuốc kháng histamine bằng đƣờng uống là phƣơng pháp điều trị AR hiệu quả nhất. Tuy nhiên, các thuốc kháng histamine hiện có có thể gây ra một số tác dụng phụ khó chịu chẳng hạn nhƣ nhức đầu, buồn ngủ, khát nƣớc, mệt mỏi và thậm chí cả tác dụng phụ về tim mạch. Hơn nữa, cũng có những phƣơng pháp điều trị AR khác chẳng hạn nhƣ corticosteroid, thuốc đối kháng thụ thể leukotriene và liệu pháp miễn dịch dị ứng. Tuy nhiên những phƣơng pháp điều trị đƣợc đề cập này rất tốn kém hoặc cũng có một số tác dụng phụ không mong muốn [80].

Do đó, cần phải tìm ra các loại thuốc đáng tin cậy, kinh tế hơn, ít tác dụng phụ hơn để điều trị AR. Do đó, nhƣ một phần trong quá trình tiếp tục nghiên cứu về quả X. Strumarium chúng tôi nhằm mục đích nghiên cứu tác dụng chống viêm mũi dị ứng của caffeoylquinic acid (CQAs) từ quả X. Sử dụng các xét nghiệm HPLC kết hợp với các chất chuẩn tham chiếu CQAs đƣợc xác định là thành phần chiếm ƣu thế.