基于量子化学计算研究类胡萝卜素清除活性氧自由基的构效关系及作用机制

Carotenoid are an important group of bioactive compound. Revealing the structure-activity relationship and the action mechanism of the them are significant to both the basic research and practical application of carotenoid. From others and our previous research, the main active groups of carotenoid were still not been verified. And there are still lack the quantitative description of the action mechanism of carotenoid. In this project, for the first time, the chemical groups of carotenoid will be verified by methods of quantum chemical calculation. And the action mechanism which are related with the ROS scavenging activity of the carotenoid will also be described from the quantum chemical point of view. Achievements of research results will validate the key groups and reveal the specific mechanism of carotenoid. The results will also be help for the active carotenoid molecular design and its production and application in practice.

类胡萝卜素是一类重要的生物活性物质，其广泛而显著的生理功能都是基于对活性氧自由基(ROS，reactive oxygen species)的清除能力。揭示其构效关系及清除ROS的具体作用机制，对于类胡萝卜素的基础研究具有重要意义。结合已有文献和我们前期研究工作来看，目前在类胡萝卜素清除ROS的构效关系研究上，虽已揭示了部分与活性相关的分子结构，但尚未确定出活性基团/化学键；在其清除ROS的作用机制方面，缺乏定量化表征研究。本课题将通过量子化学计算，确定类胡萝卜素结构中与清除ROS活性相关的主要化学键。并从量子化学角度对类胡萝卜素直接清除ROS的两种作用机制进行定量化描述。项目完成后将对整体类胡萝卜素家族的构效关系及清除ROS的具体作用机制有较为全面、深入的理解。获得的结果可为了类胡萝卜素活性位点及活性大小的预测方法的建立提供理论依据，进一步完善天然抗氧化物构效关系等基础知识体系。

类胡萝卜素清除ROS的能力是由哪些活性基团或化学键决定的？其在清除ROS的过程中可能发生了什么样的反应和键的断裂？对这些问题的厘清可以从本质上揭示类胡萝卜素清除ROS从而进行抗氧化的构效关系，有利于高活性类胡萝卜素的选用。. 主要研究内容：使用半经验AM1和量子化学密度泛函DFT方法计算得出主要类胡萝卜素的原子电荷分布情况、分子前线轨道分布（HOMO＆LUMO）、前线分子能级差△Ｅ，以及各羟基位发生抽氢反应的ROS生成热（△HOF）等理论参数，同时采用了四种方法测定类胡萝卜素的清除ROS 能力，分别为DPPH法、ABTS法、FRAP法和金属离子螯合法。. 重要结果：1）通过合理高精度量子化学方法进行结构优化，能得到类胡萝卜素分子的优势构象；.2）用量化参数与实测结果比对，通过原子净电荷分布能确定类胡萝卜素的活性位点；.3）在对类胡萝卜素清除ROS活性的各种评价方法中，DPPH法并不适用。ABTS法和FRAP法相关系数为0.893，较为显著，FRAP法和金属离子螯合法相关系数为0.964，较为显著，但 ABTS法和金属离子螯合实验相关性较低，相关系数为0.857。.4）类胡萝卜素中的番茄红素、虾青素、辣椒红素具有较强的活性；类胡萝卜素的清除ROS活性与其抑制肿瘤细胞活性呈一定相关性。.5）类胡萝卜素的基本结构就是具有多个共轭双键，它们的活性位点主要集中于碳碳双键上，端环上的基团对类胡萝卜素活性也有影响，羟基、酮基、环氧基、甲基氢均能够促进分子的活性。其中羟基、酮基、甲氧基的活性大于甲基氢。 . 科学意义：本项目建立了量子化学参数与类胡萝卜素直接清除ROS活性之间的联系，为类胡萝卜素的构效关系研究引进了新的研究工具，开拓了新的研究思路。