多酚類化合物抗氧化活性的電性距離矢量模型

朱利蘭

(徐州工程學(xué)院體育學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

在眾多衰老理論中，Harman 提出的自由基學(xué)說占有重要的地位。其觀點認(rèn)為生物機(jī)體內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，尤其是酶促氧化還原反應(yīng)會產(chǎn)生具有未配對電子的自由基(如原子、原子團(tuán)、分子和離子等)，其過多會對生物機(jī)體造成一系列損害[1]。酚類化合物是具有酚羥基的一類還原性物質(zhì)，可抑制自動氧化、清除羥基、DPPH自由基、超氧陰離子等表現(xiàn)出抗氧化作用，且對人類的毒害較小[2]。因此，酚類化合物具有降血脂、抗動脈硬化、降低膽固醇、抗腫瘤、抗炎等功能，對糖尿病、癌瘤、心血管疾病等具有顯著療效。酚類化合物廣泛存在于動植物體內(nèi)[3-6]，使之成為藥食同源食品。

結(jié)構(gòu)-活性的定量研究是目前國際上相當(dāng)活躍的前沿研究領(lǐng)域之一，并在藥物化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、浮選及冶金、藥劑分子設(shè)計等方面得到了成功的應(yīng)用[7-10]。有關(guān)食品添加劑的分子結(jié)構(gòu)與抗氧化活性的關(guān)系，已有較多的實驗研究，但對其進(jìn)行定量構(gòu)效關(guān)系研究較少[11-12]。文獻(xiàn)[13]選擇密度泛函理論(DFT)的6-31G*基組對多酚物質(zhì)進(jìn)行量子化學(xué)精度計算，篩選出與抗氧化活性最相關(guān)的5個參數(shù)，應(yīng)用相關(guān)及回歸分析方法建立了這5個參數(shù)與抗氧化活性的4種參數(shù)的構(gòu)效方程，為設(shè)計高活性抗氧化多酚類化合物提供理論參考。本實驗對這些多酚化合物的抗氧化性進(jìn)行深入的構(gòu)效關(guān)系研究，采用劉樹深等[14-16]的電性距離矢量(Mk)，通過最佳變量子集回歸(leaps- and-bounds regression，LBR)方法建立這4種抗氧化活性參數(shù)的最佳五元數(shù)學(xué)模型，揭示影響多酚類化合物抗氧化活性的結(jié)構(gòu)因素，為生物合理設(shè)計此類高抗氧化活性化合物提供有益的啟示。

1 材料與方法

1.1 多酚類化合物的分子結(jié)構(gòu)與抗氧化性數(shù)據(jù)

2005年，Soobrattee等[17]用TEAC方法(其數(shù)據(jù)以“Te”表示)、鐵還原能力(FRAP)方法(其數(shù)據(jù)以“Fr”表示)、HOCl清除能力測定法(其數(shù)據(jù)以“Hc”表示)和脫氧核糖分析法(·OH清除能力， 其數(shù)據(jù)以“r”表示)評價了多酚類化合物的抗氧化能力。由于脫氧核糖分析法所得的羥自由基清除速率(單位為mol/s)及Hc數(shù)值較大，為了便于建模，令：

式(1)中的Hc0=1μmol/dm3，式(2)中的r0=1mol/s。以上具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 4種方法測定33種多酚類化合物抗氧化活性數(shù)據(jù)[17]Table1 Antioxidant effects of 33 kinds of polyphenols determined by 4 assay methods

1.2 電性距離矢量的建構(gòu)方法

化合物結(jié)構(gòu)參數(shù)化是建立定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)模型的最重要步驟。近年來，該種技術(shù)特別是拓?fù)渲笖?shù)方法取得較大進(jìn)展，提出了許多指數(shù)并得到廣泛應(yīng)用。本實驗運用劉樹深等[14-16]提出的分子電性距離矢量(MEDV)來表征有機(jī)分子結(jié)構(gòu)，其計算過程如下：

首先根據(jù)有機(jī)化合物中出現(xiàn)的非氫原子(如C、N、O、S、P、F、Cl等)所處的環(huán)境不同，將其劃分為13種類型，每一種類型規(guī)定一個識別號(IDi)，識別號定義為：

式中Ziv為價電子層電子數(shù)。非氫原子i在分子中所處的局部環(huán)境可用其所連接的其他非氫原子的數(shù)目(Ji)表示。將IDi與Ji加和便為非氫原子i的原子類型號(ki)：

如苯酚中的氧原子的vO=6，JO=1，其kO=9。MEDV給出13種原子類型。本實驗中所用到的原子類型見表2。

考慮分子中非氫原子表現(xiàn)出的性質(zhì)與其電負(fù)性、成鍵特性密切相關(guān)，從而在原子類型的基礎(chǔ)上定義了43種原子屬性的固有狀態(tài)值(Ii)：

式中：N為非氫原子i的電子層數(shù)，δi及δiv的定義為：

式中：σi、πi為非氫原子i成σ鍵、π鍵所用的電子數(shù)，hi為與其直接鍵合的氫原子數(shù)。如苯酚中的氧原子的N=2、σ=2、π=0、h=1，則：

表2 本研究有機(jī)物分子的原子類型及固有狀態(tài)值Table2 Atomic types and intrinsic state values of organic compounds

本研究中所用到的9種原子類型和固有狀態(tài)值見表2。

計算分子中其他非氫原子對固有狀態(tài)值Ii的影響，即求增量ΔIi，假設(shè)所有其他非氫原子(j)對非氫原子(i)的固有狀態(tài)影響或增量是兩原子固有狀態(tài)之差，即(Ii－Ij)的函數(shù)，且與兩個原子之間最短距離的平方成反比，那么某原子(i)固有狀態(tài)值Ii在分子中受到其他原子(j)的影響而增量(△Ii)：

式中：dij為非氫原子i、j之間的最短拓?fù)渚嚯x即其間直接相連的邊的數(shù)目。如苯酚中的氧原子的ΔIO：

如苯酚中的氧原子的Ei：EO=IO＋△IO=3.5822。

為了進(jìn)一步考慮不同原子類型的非氫原子之間的電性拓?fù)渥饔茫x了電性距離矢量(MEDV，Mkl)：

式中：k、l分別為非氫原子i、j所屬的原子類型號。這13種原子類型兩兩相互作用，構(gòu)成91個MEDV，以“Mf”表示。例如苯酚中，與氧原子相連的碳原子的k=3，氧原子的l=9，它們的組合有1種MEDV：M32(即M3-9)：

本研究化合物分子中共有8種原子類型：k=1、2、3、4、6、8、9、1 0。它們兩兩組合理論上可以構(gòu)成36種MEDV，但由于分子中可能只有某原子類型的一個原子，而無法兩兩組合，其值為零，故只有30種MEDV。它們依次為：M1、M2、M3、M4、M6、M8、M9、M10、M14、M15、M16、M18、M20、M21、M22、M26、M27、M29、M31、M32、M33、M42、M43、M56、M58、M59、M72、M77、M78、M82。

1.3 多元回歸分析

將每種化合物的電性距離矢量作為自變量，相應(yīng)的4種抗氧化活性數(shù)據(jù)為因變量(Kj)構(gòu)建4個數(shù)據(jù)集，對每個數(shù)據(jù)集分別應(yīng)用最佳子集回歸(LBR)選擇最佳變量組合，建立它們的QSAR模型。用方差膨脹因子(variance inflation factors，VIF)[18]評價模型中各自變量的多重相關(guān)性，如VIF=1，表明各自變量間完全不相關(guān)；當(dāng)VIF＜5時，說明變量間沒有明顯的自相關(guān)性；當(dāng)VIF＞5時，說明變量間存在明顯的共線性，所建模型不能用于估算與預(yù)測。VIF的定義式為：

式中：R2為自變量X中某一變量與余下自變量的相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 多酚類化合物的抗氧化活性與Mf的相關(guān)性

將文獻(xiàn)[13]中多酚類化合物的4個數(shù)據(jù)集分別輸入MITALAB14.0統(tǒng)計軟件系統(tǒng)，利用其最佳變量子集回歸法對其進(jìn)行變量的提取和計算分析。從統(tǒng)計學(xué)的角度考慮，一般認(rèn)為N/m值不能太小(N為試樣總量，m為所選變量)，一般認(rèn)為比值大于5所得到的數(shù)學(xué)模型才比較穩(wěn)定。由于4個數(shù)據(jù)集中因變量的數(shù)值最少為28個，故本研究均建立最佳五元數(shù)學(xué)模型。表3列出這4個最佳變量組合模型及其樣本容量(n)、相關(guān)系數(shù)(R)、Fischer檢驗值(F)和估計標(biāo)準(zhǔn)誤差(s)。

表3 Mf和Kj的最佳變量子集回歸結(jié)果Table3 Results of leaps-bounds regression of Mf and Kj

2.2 模型質(zhì)量的檢驗

在α=0.05顯著水平下，F(xiàn)ischer檢驗的臨界值為：F0.05(5,20)=2.71、F0.05(5,30)=2.53、F0.05(5,40)=2.45。由表3可見，本研究的F值均大于其臨界值，說明這些方程反映了多酚類化合物抗氧化活性的變化關(guān)系。

表3中Te模型的5個自變量的VIF值依次為1.455、2.384、2.395、1.176、1.210；Fr模型的5個自變量的VIF值依次為4.950、5.117、2.263、2.887、2.606；H模型的5個自變量的VIF值依次為2.078、2.502、1.147、5.052、4.098；G模型的5個自變量的VIF值依次為1.245、2.326、3.490、1.802、2.746。由此可見，這些模型的共線性較低，具有良好的穩(wěn)定性。

2.3 影響多酚類化合物抗氧化活性的結(jié)構(gòu)因素

使用M15、M21、M33、M78、M82分別與Te、Fr、H、G建立回歸方程，它們的相關(guān)系數(shù)依次為0.687、0.651、0.756、0.727。與表3相比，相關(guān)程度稍有下降。說明這5個拓?fù)渲笖?shù)所隱含的分子結(jié)構(gòu)信息基本上就是影響多酚類化合物抗氧化活性的主要因素。與這5個拓?fù)渲笖?shù)描述子變量相關(guān)的分子結(jié)構(gòu)基團(tuán)分別為—CH2—、—CH 、—OH、—O—，前兩個說明化合物分子中的非極性基團(tuán)對抗氧化活性的影響，后3個表明分子中極性基團(tuán)的空間分布對抗氧化活性的貢獻(xiàn)，因此，這些基團(tuán)的存在，對多酚類化合物的抗氧化活性將產(chǎn)生很大影響。

3 結(jié) 論

使用電性距離矢量對多酚類化合物抗氧化活性的表征具有有效性、合理性，揭示了分子內(nèi)—CH2—、—CH 、—OH、—O—等基團(tuán)對其抗氧化活性具有很大影響，為設(shè)計此類高抗氧化活性化合物提供有益的啟示。

[1] 金宗鐮.保健食品的功能評價與開發(fā)[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社,2002: 473.

[2] HARBORN J B.The flavonoids: advances in reseach science[M].London:Chapmam and Hall, 1994: 2.

[3] 劉亞男, 程艷華, 胡福良, 等.蜂膠黃酮苷的酸解及酸解產(chǎn)物抗氧化性能的研究[J].食品科學(xué), 2009, 30(3): 47-50.

[4] 楊佳林, 徐響, 孫麗萍, 等.蜂花粉酚類化合物研究進(jìn)展[J].食品科學(xué), 2008, 29(8): 693-696.

[5] 文良娟, 毛慧君, 張元春, 等.西番蓮果皮成分分析及其抗氧化活性的研究[J].食品科學(xué), 2008, 29(11): 54-58.

[6] 郭清泉, 林淑英, 李大光, 等.二氫楊梅素抗氧化機(jī)制探討[J].食品科學(xué), 2006, 27(5): 121-123.

[7] 郭新竹,寧正祥.定量結(jié)構(gòu)-活性相關(guān)法及其在食品研究中的應(yīng)用前景[J].食品科學(xué), 2001, 22(12): 78-80.

[8] 陸曦, 王磊, 魏紅, 等.黃酮類化合物抗氧化活性的構(gòu)效關(guān)系[J].食品科學(xué), 2006, 27(12): 233-237.

[9] 張愛, 趙波, 王正武.基于量子化學(xué)計算的β-胡蘿卜素溶解性能的QSPR研究[J].食品科學(xué), 2007, 28(9): 68-71.

[10] FENG Changjun, YANG Weihua, MU Lailong.Estimation and prediction of bioconcentration factors of nonionic organic chemicals in fish by electrotopological state indices and structural parameter[J].Chinese J Struct Chem, 2008, 27(5): 575-587.

[11] 劉紅, 郭祀遠(yuǎn).益智酮A與姜黃色素的抗氧化性與其構(gòu)效的關(guān)系[J].食品科學(xué), 2006, 27(12): 934-935.

[12] 周魯.黃烷醇類化合物抗氧化性的構(gòu)效關(guān)系研究[J].食品科學(xué), 2003,24(9): 59-62.

[13] 籍寶霞.多酚量子化學(xué)精度計算及抗氧化構(gòu)效模型建立[J].食品科學(xué), 2009, 30(9): 153-156.

[14] LIU Shushen, YIN Chunsheng, LI Zhiliang, et al.QSAR study of steroid benchmark and dipeptides based on MEDV-13[J].J Chem Inf Comput Sci, 2001, 41: 321-329.

[15] LIU Shushen, YIN Chunsheng, WANG Liansheng.Combined MEDVGA-MLR method for QSAR of three panels of steroids, dipeptides, and COX-2 inhibitors[J].J Chem Inf Comput Sci, 2002, 42: 749-756.

[16] 崔世海, 楊靜, 劉樹深, 等.基于分子電性距離矢量預(yù)測有機(jī)污染物的生物富集因子[J].中國科學(xué)B輯: 化學(xué), 2007, 37(3): 248-253.

[17] SOOBRATTEE M A, NEERGHEEN V S, LUXIMON-RAMMA A,et al.Phenolic as potential antioxidant therapeutic agents: mechanism and actions[J].Mutation Research, 2005, 579(1/2): 200-213.

[18] 馮長君, 沐來龍, 楊偉華, 等.用拓?fù)渲笖?shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究有機(jī)污染物的生物富集因子[J].化學(xué)學(xué)報, 2008, 66(19): 2093-2098.