《Biophysical Chemistry》：Decoding the new dimensions of leucodelphinidin as a dual antioxidant and anti-diabetic candidate: A DFT, docking and dynamics evaluation
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抗氧化天然产物Leucodelphinidin通过密度泛函理论揭示其多机制自由基清除能力及对糖尿病相关酶的调控作用。
作者：Sheeba Veronica Jesu Ignasious, Sadasivam Kandasamy
印度泰米尔纳德邦Sathyamangalam市Bannari Amman理工学院物理系
摘要
Leucodelphinidin（LDN）是一种被低估的黄酮类化合物，具有强大的抗氧化和抗糖尿病作用。本研究利用密度泛函理论（DFT）评估了其在多种抗氧化途径中的自由基清除能力，包括氢原子转移（HAT）、连续电子转移-质子转移（SET-PT）和连续质子损失电子转移（SPLET）等机制。抗氧化效率通过键解离焓（BDE）、电子转移焓（ETE）、质子亲和力（PA）、电子亲和力（EA）、质子解离焓（PDE）和电离势（IP）等参数进行验证。分子静电势（MEP）图谱和前线分子轨道（FMO）分析揭示了易受自由基攻击的电子富集区域，而时间依赖性DFT（TD-DFT）则揭示了关键的电子跃迁。通过原子在分子中的分析（AIM）、全局反应性描述符和非共价相互作用-密度梯度降低（NCI-RDG）研究进一步了解了其作用机制。为了进行生物学验证，将LDN与人类葡萄糖激酶和胰腺α-淀粉酶进行对接，并通过分子动力学（MD）模拟验证了其效果。这项计算研究结合了多途径自由基清除评估、酶对接和动力学模拟，揭示了LDN在调节氧化应激与葡萄糖代谢紊乱中的治疗潜力。
引言
含氧分子，尤其是活性氧（ROS），以其高反应性而闻名。ROS在维持生物体正常细胞活动中起着重要作用。ROS包括自由基（如羟基•OH、烷氧基•RO•、过氧基•HO2•、过氧基•RO2•、超氧阴离子• -O2•）以及非自由基化合物（如过氧化氢H2O2、臭氧O3、单线态氧1O2等）[34]。自由基（FR）是其轨道中有一个或多个未配对电子的分子实体，具有高度反应性，对维持人体代谢平衡、功能稳定性、内部控制系统和全身调节至关重要。然而，自由基的无限制增殖是不健康的，其积累会导致氧化应激[47]。其中，羟基自由基会迅速与有机和无机分子发生反应。ROS既有积极作用也有负面影响，如调节细胞生长、能量产生、细胞吞噬、生化通讯和关键生物物质的生物合成。尽管如此，ROS也可能造成威胁，因为它们会通过损伤细胞膜、DNA以及改变蛋白质和酶来影响正常代谢[36]，从而导致各种后果，包括急性和认知功能障碍以及退行性疾病。某些疾病，如帕金森病、阿尔茨海默病、心血管疾病、动脉粥样硬化、癌症甚至糖尿病，都受到这些自由基积累的影响[42],[57]。近年来，人们开始认识到自由基的矛盾性质，以寻找有效的自由基清除化合物，这些化合物即抗氧化剂。人体自身具有两种抗氧化系统：一种用于防御（抑制自由基），另一种用于修复这些自由基造成的损伤，从而减少氧化应激。然而，在某些生理条件下，人体的内在抗氧化防御机制效率较低。正常的饮食，包括摄入水果、蔬菜和补充维生素，是抗氧化剂的来源。同时，植物中含有丰富的黄酮类和酚类化合物[36]，这些功能性植物化合物在多种医疗应用中表现出色，因此受到了药物研究人员的关注。利用天然来源进行治疗是一种有效的方法，因为它们比合成抗氧化剂具有更少的不良反应。
黄酮类化合物属于多酚结构，其骨架结构以苯并-γ-吡酮为基础，含有不同的酚基、O-糖苷和功能基团[6]。
结构组成对其活性起着关键作用[11]。Leucodelphinidin（LDN）是一种天然存在的黄酮类化合物，属于白花青素类，含有flavan-3,4-二醇结构，其标准化化学名称为(2R,3S,4S-2-(3,4,5-三羟基苯基)-3,4-二氢-2H-铬烯-3,4,5,7-四醇，如图1.a所示。多种植物，如Acacia auriculiformis、Cleistanthus collinus、Eucalyptus pilularis、Ficus bengalensis（树皮）是LDN的来源[15],[30]。LDN作为花青素和原花青素形成的前体，不仅提供色素，还具有收敛作用。LDN因其独特的化学结构和潜在的药用价值而备受关注。遗憾的是，关于LDN的实验和理论研究结果较少。最新研究表明，LDN对SARS-CoV-2病毒具有显著的抗病毒效果[12],[44]。它能有效结合病毒的主要蛋白酶和木瓜蛋白酶，导致其结构改变并破坏酶的活性[43]。此外，花青素因其多种生物活性（如抗氧化、抗炎和抗癌作用）而广受认可，其主要机制是通过清除自由基来对抗氧化应激[6],[20]。
本文主要探讨LDN的抗氧化机制。LDN因其清除自由基的能力而成为一种有前景的治疗剂。这种能力源于其羟基的存在以及通过电子离域或氢键作用使酚基自由基中和[47]。通常，通过向自由基转移电子或氢原子可以防止细胞损伤。据报道，氧化应激与糖尿病的发展密切相关[5]。糖尿病是一种威胁性极强的疾病，影响所有年龄段的人，从婴儿到成人。2型糖尿病（T2DM）是一种全球性的健康问题，其特征是由于胰岛素分泌和葡萄糖代谢受损导致的高血糖。在T2DM中，高血糖通过线粒体功能障碍、多元醇途径和晚期糖基化终产物（AGEs）引发活性氧（ROS）的产生，损害β细胞，干扰胰岛素信号传导并破坏碳水化合物消化中的α-淀粉酶功能[51]。
本文探讨了LDN是否可以用于治疗糖尿病，因为糖尿病与氧化应激有关。LDN含有七个-OH基团，使其具有优异的抗氧化性能，计算技术被广泛用于评估这些基团。与实验技术相比，计算方法可以为化合物中的所有-OH键提供所需的完整数据，从而精确识别和比较不同位置的自由基清除活性。因此，计算方法在探究生物活性分子的抗氧化防御机制中起着关键作用。密度泛函理论（DFT）是一种强大的计算工具，可用于分析几何结构、电子结构、热力学和动力学性质、相互作用和生物利用度。本文重点关注计算量子力学计算，为深入了解其抗氧化特性提供了清晰视角。虽然可以通过多种方式研究这些机制，但最常研究的包括氢原子转移（HAT）、连续质子损失电子转移（SPLET）和连续电子转移-质子转移（SET-PT）。键解离焓（BDE）、质子亲和力（PA）、电子转移焓（ETA）、绝热电离势（AIP）和质子解离焓（PDE）等物理化学指标可用于验证上述抗氧化机制[37]。
量子化学框架
使用密度泛函理论（DFT）计算了LDN的结构和电子性质及其对抗氧化应激和糖尿病的潜在作用，DFT是一种成熟的量子力学工具[21]。所有计算均使用Gaussian16W程序（Frisch等人，2016年）完成。电子结构计算采用了M06-2×泛函和6-311G（d, p）基组，既保证了预测的准确性，又提高了计算效率
氢原子转移（HAT）
氢原子转移（HAT）机制对于促进抗氧化活性至关重要。该过程涉及将LDN的羟基中的氢原子转移到自由基（FR）上，从而有效中和自由基。LDN的这种形式得到了键解离焓（BDE）参数的支持，表明分子的抗氧化潜力随着BDE值的降低而增加。LDN含有七个羟基
结论
这项关于LDN的计算研究揭示了其作为天然抗氧化剂和治疗糖尿病的潜在作用。量子化学研究表明，LDN通过多种机制有效中和自由基。在水介质中，SPLET机制占主导地位；而在非极性环境中，HAT途径更为有效。本研究探讨了多达七种自由基清除机制，以全面评估其清除潜力
作者贡献声明
Sheeba Veronica Jesu Ignasious：撰写原始草稿、可视化、软件开发、方法论设计、数据分析、概念化。Sadasivam Kandasamy：审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论设计、数据分析。
资金支持
本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。
致谢
作者感谢Bannari Amman理工学院为研究工作提供了必要的基础设施支持。
