《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Glycosylation and ESIPT synergistically regulate the antioxidant activity of flavonoids
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抗氧化活性与ESIPT及糖基化的协同作用研究，密度泛函理论计算显示糖基化通过稳定keto*态和增强氢键网络显著提升黄酮类化合物的抗氧化性能。
Bifa Cao|Xuetong Yang|Qiaoqiao Geng|Qiao Zhou|Ying Shi
天津中德应用技术大学基础课程系，中国天津300350
摘要
具有光致发光特性的黄酮类化合物被广泛认为是天然存在的多酚类化合物，因其强大的抗氧化性能而受到赞誉。通过结构修饰可以精确调节这些黄酮类化合物的抗氧化效果，这一发现对生物医学领域具有深远意义，特别是在癌症诊断和抗癌药物开发方面。然而，尽管前景广阔，但由于黄酮类化合物的水溶性不佳、胃肠道生物利用度低、系统清除速度快以及靶向递送能力有限，其临床应用仍面临诸多挑战。幸运的是，糖基化提供了一种有前景的策略来改善这些限制，从而增强其药理活性。在本研究中，我们采用了密度泛函理论（DFT）和时依赖DFT（TD-DFT）。我们对水溶液中具有激发态分子内质子转移（ESIPT）特性的白花菜素以及不具有ESIPT特性的6,7,4′-三羟基异黄酮进行了全面的抗氧化性能评估。研究表明，黄酮类化合物在激发态下的抗氧化活性显著增强。由于ESIPT特性，白花菜素及其衍生物在酮*态下表现出更优的抗氧化性能。此外，糖基化进一步增强了黄酮类化合物的抗氧化活性。这些发现突显了ESIPT和糖基化在高效黄酮类抗氧化剂设计中的关键作用。
引言
具有光致发光特性的黄酮类化合物是一类有机化合物，展现出多样的重要生物医学特性，包括抗炎和抗氧化作用、抑制血小板聚集、降低血浆脂蛋白水平以及抑制细胞增殖[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8],[9],[10]。近年来，黄酮类化合物在癌症诊断和抗癌药物开发领域展现出巨大潜力[11],[12]。由于它们独特的激发态分子内质子转移（ESIPT）特性[13],[14],[15]，基于黄酮类化合物的分子在抗氧化研究受到了广泛关注。光激发后，这种特性使得质子转移迅速发生，形成稳定的互变异构体[16]。尽管研究表明经过ESIPT处理后，分子清除活性氧的能力显著增强，但传统黄酮类化合物在临床应用中仍面临诸多挑战[17]。例如，由于水溶性差，其生物利用度不佳；口服给药时，由于肠道吸收有限，治疗效果受到限制[18],[19]；此外，由于代谢降解迅速，药理作用时间缩短，且缺乏有效的靶向递送机制，非特异性毒性的风险增加[20],[21]。这些固有限制严重阻碍了黄酮类化合物从基础研究向临床治疗的转化。幸运的是，糖基化提供了一种有前景的策略来改善这些限制，从而增强黄酮类化合物的药理活性[22]。目前，所有已知的黄酮类化合物在ESIPT（酮*态（K*态）下都表现出更强的抗氧化性能。在我们之前的研究中，我们发现芹菜素具有直接从烯醇（E）态到K*态互变异构体的ESIPT途径，而不经过可观察到的烯醇*态（E*态），从而能够充分利用与K*态相关的强抗氧化性能[23]。这些发现为黄酮类化合物的结构优化提供了重要启示。因此，我们设计了一种具有ESIPT特性但不存在烯醇*态荧光的糖基化黄酮类化合物，以减轻典型的药理缺点并延长生物活性。同时，我们也研究了不具有ESIPT特性的黄酮类化合物，以确定糖基化对其抗氧化活性的影响。这些研究强调了深入理解糖基化和ESIPT如何调节黄酮类化合物抗氧化性能的必要性，并揭示了新的机制问题。
在本研究中，我们选择了白花菜素（具有ESIPT活性）和6,7,4′-三羟基异黄酮（缺乏ESIPT活性）及其糖基化衍生物作为模型系统（见图1）。随后在水溶液环境中系统地研究了它们的ESIPT行为和抗氧化性能。我们使用了密度泛函理论（DFT）和时依赖DFT（TD-DFT）来获得严格优化的分子几何结构，并对键长、键角、非共价相互作用、前线分子轨道分布、振动光谱特性和势能曲线等关键参数进行了全面分析。此外，还从电子结构和能量变化的角度深入探讨了结构修饰与活性调节之间的内在关系。详细的计算结果和机制分析将在后续章节中详细阐述。
计算方法和细节
我们对白花菜素、6,7,4′-三羟基异黄酮及其衍生物的计算采用了DFT和TD-DFT[24]。计算是在CAM-B3LYP水平上使用6-31G+(d,p)基组[25],[26]进行的。基态（S?）和第一激发态（S?）的几何结构都经过了完全优化。所有计算均采用了基于电子密度的溶剂化模型（SMD）[27]。键长、键角、电子光谱和红外振动光谱的数据也进行了相应的处理。
优化后的分子结构
白花菜素、4′-白花菜素-葡萄糖苷、6,7,4′-三羟基异黄酮和7,4′-二羟基异黄酮-6-O-葡萄糖苷的分子结构分别进行了优化，获得了它们在S?和S?态下的最优几何结构。图1展示了白花菜素及其糖基化衍生物在水溶液中的关键键长和键角。分子内氢键的缩短和键角的增大表明氢键作用得到了增强。
结论
我们进行了全面的量子化学计算，研究了白花菜素、6,7,4′-三羟基异黄酮及其衍生物的糖基化和ESIPT行为。分析显示，糖基化、ESIPT动力学及其产生的抗氧化活性之间存在复杂的相互作用。白花菜素和4′-白花菜素-葡萄糖苷是不具有烯醇*态荧光的黄酮类化合物，而6,7,4′-三羟基异黄酮和7,4′-二羟基异黄酮-6-O-葡萄糖苷则是具有烯醇*态荧光的黄酮类化合物。
作者贡献声明
Bifa Cao：撰写、审稿与编辑、方法学设计、概念构思。Xuetong Yang：撰写初稿、数据整理。Qiaoqiao Geng：数据可视化。Qiao Zhou：概念构思。Ying Shi：撰写、审稿与编辑、软件使用、资源协调。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本项工作得到了天津市教育委员会高等教育科学技术发展基金（编号：2022KJ139）和国家自然科学基金（编号：12404336）的财政支持。
