Лекции 1-3. Биофлавоноиды (стр. 2 )

Структурные нюансы в построении углеродного каркаса, пространственном расположении заместителей, местоположении гидроксильных групп играют важную роль во взаимоотношениях флавоноидов с ферментами. Например, некоторые фрагменты молекулы флавоноидного соединения могут обусловливать структурное ингибирование определенных сайтов ферментов. Приведем известный пример с монооксигеназной системой. Флавоноиды, содержащие по две ОН-группы в кольце А (кверцетин, нарингенин и др.), ингибируют изоформу цитохрома Р-450 3А4. Именно эта форма метаболизирует лекарственное средство нифедипин (синонимы кордафен, коринфар, фенигидин). Описан драматический случай отравления нормальной дозой такого препарата, когда пациент вместо воды запил лекарство стаканом грейпфрутового сока, отличающегося высоким содержанием кверцетина и нарингенина. С другой стороны, ингибирование флавоноидами грейпфрутового сока этой изоформы, положительно сказывается на подавлении канцерогенеза у лиц, подвергшихся воздействию афлатоксина В1. Хотелось бы акцентировать внимание на том, что как здесь, так и в дальнейшем изложении цель приводимых примеров состоит в подчеркивании стержневой мысли об основополагающей роли химического строения флавоноидов с учетом электронных и стереохимических факторов в проявлении ими любого вида биологической активности.

Суперизвестность флавоноидам обеспечила их способность проявлять антирадикальное действие. Само биогенетическое происхождение наделило эти соединения базовой структурой и гидроксильными заместителями в ней, вкупе благоприятствующими выполнению этой роли.

С химической позиции флавоноиды способны участвовать в окислительно-восстановительных реакциях гомолитического (радикального) типа. В такой реакции молекула флавоноида Fl-OH выступает в роли восстановителя (донора электрона) по отношению к какому-либо радикальному субстрату R·, переходя при этом в радикальную (окисленную) форму Fl -O·:

Fl-OH + R· → Fl - O· + RH

Для пары FlO•/FlOH характерен низкий редокс-потенциал (от 0,23 до 0,75 В), а это означает, что флавоноиды термодинамически способны восстанавливать легко окисляемые субстраты. В условиях in vitro была изучена антирадикальная способность большого числа флавоноидных соединений разнообразного строения и установлены основные закономерности во взаимосвязи “структура-антирадикальная активность”. Инициирующими радикалами служили искусственные (нехарактерные для организма) радикальные частицы, например, радикал-катион ABTS•+[2,2′-азобис(3-этилбензотиазол-6-сульфоновой кислоты)], а оценка радикал-улавливающей способности была проведена путем соотнесения со стандартным веществом тролоксом, синтетическим водорастворимым аналогом витамина Е. На сегодня имеется обширный справочный материал по характеристике антирадикальной способности многих флавоноидных соединений, выраженной через значения TEAC (trolox equivalent antioxidant capacity). Выстроенная по значениям ТЕАС иерархия флавоноидов позволяет отчетливо выявить структурные элементы, играющие детерминирующую роль в антирадикальном действии флавоноидов. Такими структурными элементами являются, во-первых, сопряженная p-электронная замкнутая система, включающая участие 4-оксогруппы и двойной связи гетероциклического кольца, во-вторых, пирокатехиновая группировка (орто-дигидроксизамещение) в кольце В и, в-третьих, сочетание карбонильной группы с гидроксильной группой у соседнего атома С-3 в кольце С.

Во флаванонах и флаванонолах из-за отсутствия двойной связи в кольце С нарушается общее электронное сопряжение в молекуле и значения ТЕАС у представителей этих групп при прочей равной модели замещения бывают в 1,5-2 раза ниже (нарингенин 1,53; дигидрокверцетин 1,9), чем у представителей соответствующих флавонов и флавонолов (кверцетин 4,7). Катехины тоже не имеют двойной связи в кольце С и для них значения ТЕАС ниже (катехин 2,4), чем у аналогичных по модели замещения флавонолов и сравнимы с таковыми для флаванонолов. Интересным является факт высокой антирадикальной активности антоцианидинов. Несмотря на отсутствие карбонильной группы в кольце С, превалирующим обстоятельством является ароматичность пирилиевой структуры кольца С (цианидин 4,4, т. е. как у кверцетина).

Положительно сказывается на увеличении антирадикальной активности присутствие 3-ОН группы, в то время как гидроксигруппы в кольце А в этом отношении менее значимы. Превращение пирокатехиновой группировки в кольце В (две орто-гидроксильные группы) в пирогаллольную (три ОН-группы) ведет к увеличению активности, а снижение уровня гидроксилирования кольца В до одной ОН-группы – к уменьшению. Существенно снижается антирадикальная активность у гликозилированных производных, особенно по положению 3 (у рутина она в 1,8 раза ниже, чем у кверцетина).

В целом, антирадикальная активность конкретного соединения определяется его химическим строением. Главным условием является обеспечение стабильности флавоксильного радикала за счет рассредоточения электронной плотности по всей системе молекулы, что наиболее возможно при наличии в кольце С двойной связи. Примером служит распределение двух электронов в бирадикале кверцетина с образованием нейтральных соединений хиноидного строения (рис. 7).

Рис. 7. Стабилизация радикала кверцетина.

2. Флавоноиды как антиоксиданты

Флавоноиды в силу своей химической природы являются восстанавливающими агентами и вместе с другими природными восстанавливающими агентами, такими, как витамин С, витамин Е и каротиноиды, способны предохранять человеческий организм от оксидативного стресса.

Термины «антиоксиданты» и «оксидативный стресс» приобрели в наши дни такую популярность, что их смысловое содержание кажется само собой разумеющимся, хотя в действительности имеются трудности в их однозначном определении.

Специалисты разных отраслей имеют свое профессиональное представление об антиоксидантах и оценке их свойств. В понимании технологов пищевой промышленности антиоксиданты служат для предотвращения окисления жиров и масел и сохранения их от прогоркания; музейные хранители используют антиоксиданты для сохранности художественных произведений; в полимерной химии антиоксиданты добавляются в резиновые, пластмассовые изделия и краски; в автомобильной промышленности улучшенные сорта автомобильного топлива и смазочных масел обязательно содержат антиоксиданты.

В медицинской литературе признано определение антиоксидантов как «любых веществ, способных при их низких концентрациях сравнительно с концентрацией подвергаемого окислению субстрата, существенно изменять или предотвращать окисление этого субстрата».

В роли «подвергаемого окислению субстрата» может выступать практически каждый тип молекул, обнаруживаемых в живых клетках - белки, липиды, углеводы, ДНК. В приведенном определении подчеркивается значимость субстрата, т. е. мишени повреждения. К примеру, воздействие на плазму крови человека газовой фазы сигаретного дыма является причиной процесса пероксидации липидов плазмы. В ингибировании этого процесса может участвовать эндогенный антиоксидант – аскорбиновая кислота. Но этот же антиоксидант не способен защитить от повреждения сигаретным дымом другую мишень, а именно, белки плазмы.

В контексте со сказанным, не требует комментариев замечание о том, что сразу же следует отказаться от попыток деления антиоксидантов на «хорошие» и «плохие» и, главное, от широковещательных заявлений о «самом лучшем» и «универсальном» антиоксиданте (чем грешат многие рекламные проспекты БАДов).

Понятие об антиоксидантах применительно к аэробным организмам неразрывно связано с генерированием в них высокоактивных свободных радикалов и нерадикальных частиц с атомом кислорода, обозначаемых ROS (reactive oxygen species), или в отечественной литературе АФК (активные формы кислорода).

Главным источником кислородсодержащих радикалов в организме является молекулярный кислород. При полном восстановлении молекула кислорода превращается в две молекулы воды (представлено в суммарном виде):

О2 + 4е + 4 Н+ → 2 Н2О

При неполном восстановлении возникают активные (токсичные) формы:

·  супероксидный анион-радикал О2· - О2 + е → О2· -

·  гидропероксильный радикал НОО· О2 + е + Н+ → НОО·

·  пероксид водорода Н2О2 О2 + 2е + 2 Н+ → Н2О2

·  гидроксильный радикал НО· О2 + 3 е + 3 Н+ → НО· + Н2О

Окислительная способность АФК возрастает в ряду:

О2· - < НОО· < Н2О2 < НО·

В организме АФК выполняют позитивные функции, связанные с их включением в продуцирование энергии, фагоцитоз, регулирование клеточного роста и межклеточной сигнализации, а также в синтез биологически важных соединений. Например, клетки фагоцитов намеренно генерируют супероксидные анион-радикалы как часть защитного механизма против инфекций чужеродных организмов. Установлено, что ~1-3 % дыхательного кислорода расходуется на образование этих радикалов, что соответствует 2 кг в год для обычного человека, а для людей с хроническими воспалениями эта цифра может возрастать десятикратно.

В случае гиперпродукции АФК могут выступать в роли повреждающих частиц, атакующих липиды в клеточных мембранах, белки тканей и энзимов, полисахариды и ДНК. С этими оксидативными повреждениями связывают процессы старения и ряд дегенеративных заболеваний (сердечно-сосудистые, атеросклероз, гипертония, катаракта и др.).

Наиболее изученным процессом с участием АФК является свободнорадикальное и пероксидное окисление липидов (ПОЛ). Особую значимость имеют липиды мембранного аппарата клетки. Мишенью для атаки со стороны АФК являются структурные фрагменты ненасыщенных высших жирных кислот в фосфолипидах.

При атаке самым активным гидроксильным радикалом НО· молекулы липида LH происходит гомолитический разрыв С-Н связи в аллильном положении, а образующийся аллил-радикал L· мгновенно реагирует с находящимся в среде окисления молекулярным кислородом с образованием липидпероксильного радикала LОО·. С этого момента начинается цепной каскад реакций пероксидации липидов.

LН + НО· → Н2О + L·

L· + О2 → LОО·

LОО· + LН → LООН + L·

Липидные пероксиды LООН - неустойчивые соединения и могут спонтанно или при участии ионов металлов переменной валентности разлагаться с образованием липидоксильных радикалов LО•, способных инициировать дальнейшее окисление липидного субстрата. Такой лавинообразный процесс ПОЛ представляет собой грозную опасность разрушения мембранных структур.