Flavonoids: Molecular Properties and Antioxidant Potential
Authors: Вейко А.Г. 
Published: February 2022

Введение. Флавоноиды, одна из основных групп полифенолов, являются важными природными антиоксидантами и регуляторами клеточного окислительно-восстановительного баланса и проявляют разнообразные фармакологические эффекты. Настоящее исследование посвящено оценке молекулярной геометрии и электронных свойств некоторых флавоноидов иих взаимодействия с кислородом (автоокисление) и свободными радикалами (DPPH), хлорноватистой (гипохлорной) кислотой (хлорирование). Цель. Оценить параметры реакций взаимодействия флавоноидов с окислителями и выяснить взаимосвязь молекулярных параметров и антиоксидантной активности ряда флавоноидов. Материалы и методы. В работе использовали флавоноиды, принадлежащие к разным классам: кверцетин (флавонолы), катехин (флаванолы) и нарингенин (флаваноны). Параметры реакций гемолиза эритроцитов, восстановления DPPH и автоокисления флавоноидов оценивали спектрофотометрически. Молекулярное моделирование флавоноидов выполнено с помощью полуэмпирических и неэмпирических молекулярно-орбитальных квантово-химических расчетов. Результаты. Согласно квантово-химическим расчетам, высокие избыточные отрицательные заряды C-колец кверцетина, катехина и нарингенина и небольшие положительные избыточные заряды B-колец позволяют рассматривать эти группировки молекул как центры для реакций электрофильного замещения. Кажущиеся скорости реакции (с-1, 20 °C) восстановления стабильного радикала DPPH флавоноидами составляют 0,34±0,06 в случае кверцетина, 0,09±0,02 - в случае катехина соответственно. Для сравнения: этот параметр равен 0,054±0,012 с-1 в случае известного антиоксиданта глутатиона. Все изученные флавоноиды предотвращали HOCl-индуцированный лизис эритроцитов, IC50 ингибирования гемолиза составляет 1,0±0,2 мкмоль/л (кверцетин), 1,1±0,2 мкмоль/л (катехин) и1,2±0,2 мкмоль/л (нарингенин). На основании установленной стехирметрии реакции гемолиза при малых концентрациях гемолитического агента можно предположить взаимодействие одной молекулы HOCl с центром на мембране эритроцита. Заключение. Кольца AC и B в молекуле кверцетина, но не катехина и нарингенина, расположены в одной плоскости. Эти группы были рассмотрены нами как наиболее вероятные центры реакций электрофильного замещения. 3’-OH-группа B-кольца кверцетина имеет самый высокий избыточный отрицательный заряд и самую низкую энергию отрыва атома водорода среди исследованных флавоноидов. Лучшим восстановителем DPPH в ряду исследуемых флавоноидов является кверцетин. Нами не обнаружено восстановления DPPH нарингенином и его автоокисления.
Introduction. Flavonoids are one of the main groups of polyphenols and important natural antioxidants and regulators of cellular redox balance with diverse pharmacological effects. Purpose. In this study, we evaluated the molecular geometry and electronic properties of several flavonoids that belong to different classes: quercetin (flavonols), catechin (flavanols), naringenin (flavanones), and their interactions with oxygen (autoxidation), free radicals (DPPH), hypochlorous acid (chlorination). Materials and methods. We used the spectroscopic methods for evaluation of the inhibition of hemolysis by flavonoids and parameters of flavonoid reduction of DPPH, autoxidation and chlorination. Molecular structures and molecular properties of flavonoids were evaluated with the methods of quantum chemistry. Results. According to quantum chemical calculations, the C-rings of quercetin, catechin, and naringenin show the high excess negative charges and the B-rings show the small positive excess charges. The apparent reaction rates (s-1, 20 °C) of the reduction of the stable DPPH radical by flavonoids are 0.34±0.06 in the case of quercetin, 0.093±0.02 in the case of catechin, respectively. For comparison, this parameter is 0.054±0.012 M-1s-1 in case of the known antioxidant glutathione. The stoichiometry of the DPPH-flavonoid (and DPPH-glutathione) reaction is 1:1. All studied flavonoids effectively interacted with hypochlorous acid and prevented HOCl-induced lysis of erythrocytes; IC50 of hemolysis inhibition is 1.0±0.2 μmol/l (quercetin), 1.1±0.2 μmol/l (catechin), and 1.2±0.2 μmol/l (naringenin). In low concentrations of the hemolytic agent, the stoichiometry of the hemolysis reaction is n=1.02. It can be assumed that one HOCl molecule interacts with the center on the erythrocyte membrane in high concentrations of the agent n=2.74. Conclusion. The AC and B rings in the quercetin molecule, but not in the catechin and naringenin molecules, are located in the same plane. It is possible to consider these groups of flavonoid molecules as centers for electrophilic substitution reactions. The 3’-OH group of the B-ring of quercetin has the highest excess negative charge and the lowest hydrogen abstraction energy among the studied flavonoids. Quercetin is the best DPPH reductant among the studied flavonoids. We found no reduction of DPPH by naringenin and no autoxidation