DFT探究红曲色素的光化学特性以及降胆固醇活性

摘要

红曲色素属于红曲霉的次级代谢产物,人们已经发现和确定了超过50种红曲色素,其中包含六种主要的醇溶性红曲色素:红色素(R5、R7)、橙色素(O5、O7)和黄色素(Y5、Y7)。作为一种天然食品色素,红曲色素被广泛的应用于食品的染色,包括肉类、番茄酱和饮料等。红曲色素具有许多优秀的生物活性,而且没有发现副作用。这些性质使得红曲色素成为一种有潜力的膳食补充剂和药物来源。然而水不溶性以及在光照下易褪色的特性极大的限制了红曲色素在食品和药物领域的应用范围,且六种醇溶性红曲色素的光褪色机理始终是未知的。实验报道红曲色素的光褪色属于光化学反应。由于红曲色素的饱和侧链(C5H11、C7H15)不属于红曲色素的发色团(共轭π键),不会影响它们的光褪色。在B3LYP/6-311+G(d,p)级别下,利用DFT方法优化具有相同饱和侧链(C5H11)的R5、O5和Y5的相关分子构象,利用TDDFT方法计算它们的紫外可见吸收光谱,并优化相关的激发态分子构象。根据计算得到的数据,我们分析并推测了六种醇溶性红曲色素的光褪色模式。红曲色素发色团(共轭π键)的破坏导致了它的褪色,它的光降解包括三步:共轭π键的光激发、水的加成以及侧链的NorrishⅠ型光裂解。共轭π键的光激发包括红曲色素分子从基态(S0)到第一激发态(S1)的激发,S1到第一三重激发态(T1)的系间窜越(ISC)。T1的稳定性强于S1,具有更长的寿命,能够与水发生加成反应,破坏共轭大π键,并导致了红曲色素的褪色。我们推测得到的红曲色素的光褪色机理可能有助于更好的保存红曲色素,延长它们在食品中的保存时间,从而扩大红曲色素的应用范围。
　　由于六种主要醇溶性红曲色素的水不溶性以及弱光稳定性,人们对于如何提高红曲色素的光稳定性和水溶性进行了许多研究。在红曲霉发酵过程中添加各种氨基酸作为N源是一种常用、有效、简单且历史悠久的提高红曲色素光稳定性以及水溶性的方法,发酵产生的具有红颜色的水溶性红曲色素氨基酸衍生物的光稳定性明显强于R5、R7。同时,它们也具有许多有益的生物活性。具有红颜色食品的流行、水溶性、较强的光稳定性以及各种生物活性使红曲色素氨基酸衍生物成为一种优秀的膳食补充剂和药物。利用DFT和TDDFT方法探究导致红曲色素氨基酸衍生物较强光稳定性的内在机理,选择具有相同侧链(C5H11)的R5以及O5的17种氨基酸衍生物作为分析对象,排除不同侧链的长度可能对计算结果造成的影响。在B3LYP/6-311+G(d,p)级别下,利用DFT方法优化17种氨基酸衍生物以及R5的分子构象,利用TDDFT方法计算这18种红曲色素的紫外可见吸收光谱。通过分析计算得到的数据,我们发现红曲色素氨基酸衍生物的氨基酸部分增大了前线轨道的能级差,同时它们的S0-S1激发的振子强度以及吸收波长位置对应的摩尔吸光系数都明显小于R5,这些均加大了S0-S1的激发难度,从而导致了它们强于R5、R7的光稳定性。除此之外,导致红曲色素褪色的另外两步:S1-T1的系间窜越(ISC)以及T1的水加成反应可能也会对氨基酸衍生物较强的光稳定性有一定的影响。在红曲霉发酵过程中,添加具有氨基和各种生物活性的氨基糖、核苷酸、核酸等物质,生成水溶性且具有较强光稳定性的膳食补充剂,是未来红曲色素氨基衍生物可能的发展趋势。
　　通过阻止肝脏中胆固醇的生物合成,Y5、Y7能够有效降低肝脏和血清中的总胆固醇水平,但是它们是怎样抑制肝脏中胆固醇的生物合成呢？3-羟基-3-甲基戊二酰-辅酶A(HMG-CoA)还原酶是肝脏中胆固醇生物合成路径的限速酶,能够催化还原HMG-CoA成甲羟戊酸。实验报道R5、R7、O5、O7以及红曲色素的一些氨基酸衍生物具有HMG-CoA还原酶抑制活性,且O5、O7、红曲色素苏氨酸、色氨酸和亮氨酸乙酯衍生物均能够降低胆固醇水平。六种醇溶性红曲色素以及水溶性红曲色素氨基酸衍生物具有相似的分子构象,Y5、Y7可能也可以抑制HMG-CoA还原酶的催化作用,从而阻止肝脏中胆固醇的生物合成。根据实验数据可知,Y5、Y7的HMG-CoA还原酶抑制活性明显强于R5、R7、O5、O7以及红曲色素的氨基酸衍生物。他汀类药物,又被称作HMG-CoA还原酶抑制剂,它们的六元δ-内酯环水解得到的羟基酸形式具有和HMG类似的部分,能够竞争性的抑制HMG-CoA还原酶的催化活性。由于红曲色素的五元γ-内酯环结构,我们推测Y5、Y7可能具有和他汀类药物类似的HMG-CoA还原酶抑制机理。这些水解得到的红曲色素的羟基酸形式具有相似的构型,它们与HMG-CoA还原酶的连接模式以及能量也相似。因此,五元γ-内酯环水解活化自由能的大小会影响它们的HMG-CoA还原酶抑制活性大小,水解活化自由能越小,HMG-CoA还原酶抑制活性越大。由于酯在羧酸酯酶和在水溶液中具有类似的水解机理,且六种醇溶性红曲色素具有相似的分子构型,它们在水催化下的水解活化自由能顺序与体内羧酸酯酶催化下的实际活化自由能顺序一致。在B3LYP-D3(BJ)水平下,利用包含六个实际水分子的群连续模型(Cluster-Continuum Model)计算水催化下的酯水解活化自由能。计算得到的红曲色素的水解活化自由能顺序与它们的HMG-CoA还原酶抑制活性顺序一致,表明我们的推测是正确的:Y5、Y7的羟基酸形式能够竞争性抑制HMG-CoA还原酶的催化活性。但是,Y5、Y7的羟基酸形式与HMG-CoA还原酶的连接模式仍需要进一步的计算。我们推测得到的HMG-CoA还原酶的抑制机理,可能帮助提高Y5和Y7的降胆固醇活性,发现一类新的能够有效降胆固醇且无副作用的药物。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 量子化学

1．1．1 分子轨道理论

1．1．2 密度泛函理论

1．2 食用色素的发展

1．3 红曲色素

第二章 红曲色素的光化学特性

2．1 六种醇溶性红曲色素的光稳定性分析

2．1．1 引言

2．1．2 计算方法

2．1．3 结果与讨论

2．1．4 总结

2．2 DFT和TDDFT研究醇溶性红曲红色素和橙色素的光褪色机理

2．2．1 引言

2．2．2 计算方法

2．2．3 结果与讨论

2．2．4 总结

2．3 DFT和TDDFT探究Y5和Y7的光褪色机理

2．3．1 引言

2．3．2 计算方法

2．3．3 结果与讨论

2．3．4 总结

2．4 红曲色素氨基酸派生物的较强光稳定性探究

2．4．1 引言

2．4．2 计算方法

2．4．3 结果与讨论

2．4．4 总结

第三章 Y5和Y7是否具有与他汀类药物类似的降胆固醇机理

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 计算过程详述

3．3．2 计算并比较Y5和Y7的水解活化自由能

3．3．3 计算并比较R5和O5的水解活化自由能

3．3．4 讨论和验证

3．4 总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

声明