DFT探究紅曲色素的光化學特性以及降膽固醇活性.pdf

1、紅曲色素屬于紅曲霉的次級代謝產(chǎn)物,人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和確定了超過50種紅曲色素,其中包含六種主要的醇溶性紅曲色素:紅色素(R5、R7)、橙色素(O5、O7)和黃色素(Y5、Y7)。作為一種天然食品色素,紅曲色素被廣泛的應(yīng)用于食品的染色,包括肉類、番茄醬和飲料等。紅曲色素具有許多優(yōu)秀的生物活性,而且沒有發(fā)現(xiàn)副作用。這些性質(zhì)使得紅曲色素成為一種有潛力的膳食補充劑和藥物來源。然而水不溶性以及在光照下易褪色的特性極大的限制了紅曲色素在食品和藥物領(lǐng)域的

2、應(yīng)用范圍,且六種醇溶性紅曲色素的光褪色機理始終是未知的。實驗報道紅曲色素的光褪色屬于光化學反應(yīng)。由于紅曲色素的飽和側(cè)鏈(C5H11、C7H15)不屬于紅曲色素的發(fā)色團(共軛π鍵),不會影響它們的光褪色。在B3LYP/6-311+G(d,p)級別下,利用DFT方法優(yōu)化具有相同飽和側(cè)鏈(C5H11)的R5、O5和Y5的相關(guān)分子構(gòu)象,利用TDDFT方法計算它們的紫外可見吸收光譜,并優(yōu)化相關(guān)的激發(fā)態(tài)分子構(gòu)象。根據(jù)計算得到的數(shù)據(jù),我們分析并推測了

3、六種醇溶性紅曲色素的光褪色模式。紅曲色素發(fā)色團(共軛π鍵)的破壞導致了它的褪色,它的光降解包括三步:共軛π鍵的光激發(fā)、水的加成以及側(cè)鏈的NorrishⅠ型光裂解。共軛π鍵的光激發(fā)包括紅曲色素分子從基態(tài)(S0)到第一激發(fā)態(tài)(S1)的激發(fā),S1到第一三重激發(fā)態(tài)(T1)的系間竄越(ISC)。T1的穩(wěn)定性強于S1,具有更長的壽命,能夠與水發(fā)生加成反應(yīng),破壞共軛大π鍵,并導致了紅曲色素的褪色。我們推測得到的紅曲色素的光褪色機理可能有助于更好的保存

4、紅曲色素,延長它們在食品中的保存時間,從而擴大紅曲色素的應(yīng)用范圍。
　　由于六種主要醇溶性紅曲色素的水不溶性以及弱光穩(wěn)定性,人們對于如何提高紅曲色素的光穩(wěn)定性和水溶性進行了許多研究。在紅曲霉發(fā)酵過程中添加各種氨基酸作為N源是一種常用、有效、簡單且歷史悠久的提高紅曲色素光穩(wěn)定性以及水溶性的方法,發(fā)酵產(chǎn)生的具有紅顏色的水溶性紅曲色素氨基酸衍生物的光穩(wěn)定性明顯強于R5、R7。同時,它們也具有許多有益的生物活性。具有紅顏色食品的流行、水溶

5、性、較強的光穩(wěn)定性以及各種生物活性使紅曲色素氨基酸衍生物成為一種優(yōu)秀的膳食補充劑和藥物。利用DFT和TDDFT方法探究導致紅曲色素氨基酸衍生物較強光穩(wěn)定性的內(nèi)在機理,選擇具有相同側(cè)鏈(C5H11)的R5以及O5的17種氨基酸衍生物作為分析對象,排除不同側(cè)鏈的長度可能對計算結(jié)果造成的影響。在B3LYP/6-311+G(d,p)級別下,利用DFT方法優(yōu)化17種氨基酸衍生物以及R5的分子構(gòu)象,利用TDDFT方法計算這18種紅曲色素的紫外可見吸

6、收光譜。通過分析計算得到的數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)紅曲色素氨基酸衍生物的氨基酸部分增大了前線軌道的能級差,同時它們的S0-S1激發(fā)的振子強度以及吸收波長位置對應(yīng)的摩爾吸光系數(shù)都明顯小于R5,這些均加大了S0-S1的激發(fā)難度,從而導致了它們強于R5、R7的光穩(wěn)定性。除此之外,導致紅曲色素褪色的另外兩步:S1-T1的系間竄越(ISC)以及T1的水加成反應(yīng)可能也會對氨基酸衍生物較強的光穩(wěn)定性有一定的影響。在紅曲霉發(fā)酵過程中,添加具有氨基和各種生物活性的

7、氨基糖、核苷酸、核酸等物質(zhì),生成水溶性且具有較強光穩(wěn)定性的膳食補充劑,是未來紅曲色素氨基衍生物可能的發(fā)展趨勢。
　　通過阻止肝臟中膽固醇的生物合成,Y5、Y7能夠有效降低肝臟和血清中的總膽固醇水平,但是它們是怎樣抑制肝臟中膽固醇的生物合成呢？3-羥基-3-甲基戊二酰-輔酶A(HMG-CoA)還原酶是肝臟中膽固醇生物合成路徑的限速酶,能夠催化還原HMG-CoA成甲羥戊酸。實驗報道R5、R7、O5、O7以及紅曲色素的一些氨基酸衍生物具

8、有HMG-CoA還原酶抑制活性,且O5、O7、紅曲色素蘇氨酸、色氨酸和亮氨酸乙酯衍生物均能夠降低膽固醇水平。六種醇溶性紅曲色素以及水溶性紅曲色素氨基酸衍生物具有相似的分子構(gòu)象,Y5、Y7可能也可以抑制HMG-CoA還原酶的催化作用,從而阻止肝臟中膽固醇的生物合成。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知,Y5、Y7的HMG-CoA還原酶抑制活性明顯強于R5、R7、O5、O7以及紅曲色素的氨基酸衍生物。他汀類藥物,又被稱作HMG-CoA還原酶抑制劑,它們的六元δ

9、-內(nèi)酯環(huán)水解得到的羥基酸形式具有和HMG類似的部分,能夠競爭性的抑制HMG-CoA還原酶的催化活性。由于紅曲色素的五元γ-內(nèi)酯環(huán)結(jié)構(gòu),我們推測Y5、Y7可能具有和他汀類藥物類似的HMG-CoA還原酶抑制機理。這些水解得到的紅曲色素的羥基酸形式具有相似的構(gòu)型,它們與HMG-CoA還原酶的連接模式以及能量也相似。因此,五元γ-內(nèi)酯環(huán)水解活化自由能的大小會影響它們的HMG-CoA還原酶抑制活性大小,水解活化自由能越小,HMG-CoA還原酶抑制

10、活性越大。由于酯在羧酸酯酶和在水溶液中具有類似的水解機理,且六種醇溶性紅曲色素具有相似的分子構(gòu)型,它們在水催化下的水解活化自由能順序與體內(nèi)羧酸酯酶催化下的實際活化自由能順序一致。在B3LYP-D3(BJ)水平下,利用包含六個實際水分子的群連續(xù)模型(Cluster-Continuum Model)計算水催化下的酯水解活化自由能。計算得到的紅曲色素的水解活化自由能順序與它們的HMG-CoA還原酶抑制活性順序一致,表明我們的推測是正確的:Y5