Sự tạo phức của amino acid isoleucine với các ion kim loại Fe3+/Fe2+ và Cu2+/Cu+ – đánh giá nguy cơ oxy hóa khơi mào từ phản ứng khử dạng Fenton

Nghiên cứu Sự tạo phức của amino acid isoleucine với các ion kim loại Fe3+/Fe2+ và Cu2+/Cu+ – đánh giá nguy cơ oxy hóa khơi mào từ phản ứng khử dạng Fenton hi vọng góp phần hiểu sâu sắc hơn hoạt tính chống oxy hóa của Ile dựa vào phản ứng quét các ion kim loại chuyển tiếp, mà còn gợi mở cái nhìn nhiều chiều về nguy cơ tiền oxy hóa khơi mào từ các phản ứng dạng Fenton của Ile. Các thông tin này có thể quan trọng cho các ứng dụng trong ngành dược.

N.T.H.Lan, T.Đ.Hiếu, N.T.Chinh, Đ.D.Quang / Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Duy Tân 2(51) (2022) 7-17 2(51) (2022) 7-17 Sự tạo phức amino acid isoleucine với ion kim loại Fe3+/Fe2+ Cu2+/Cu+ – đánh giá nguy oxy hóa khơi mào từ phản ứng khử dạng Fenton Complexation of isoleucine amino acid with Fe3+/Fe2+ and Cu2+/Cu+ metal ions – evaluation of pro-oxidant risks initiated by Fenton-type reduction reactions Nguyễn Thị Hương Lana, Trương Đình Hiếub,c, Ngô Thị Chinhb,c, Đào Duy Quangb,c* Nguyen Thi Huong Lana, Truong Dinh Hieub,c, Ngo Thi Chinhb,c, Dao Duy Quangb,c* Khoa Dược, Trường Y Dược, Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam Faculty of Pharmacy, College of Medicine and Pharmacy, Duy Tan University, 550000, Da Nang, Vietnam b Department of Environment and Natural Science, Duy Tan University, Danang, 550000, Vietnam b Khoa Môi trường Khoa học Tự nhiên, Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam c Institute of Research and Development, Duy Tan University, Danang, 550000, Vietnam c Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ cao, Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam a a (Ngày nhận bài: 25/01/2022, ngày phản biện xong: 19/4/2022, ngày chấp nhận đăng: 30/4/2022) Tóm tắt Sự tạo phức với ion kim loại Fe3+/Fe2+ Cu2+/Cu+ nguy oxy hóa amino acid isoleucine (Ile) khơi mào từ phản ứng khử dạng Fenton nghiên cứu phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) Các thông số nhiệt động học phản ứng (ΔrG0, ΔrH0 ), số cân (Kf) pKf phản ứng tạo phức tính tốn dung mơi nước mức lý thuyết M05-2X/6-311++G(d,p) Kết cho thấy, môi trường thể, amino acid Ile tự tồn chủ yếu dạng muối lưỡng cực phần lớn tương tác với ion kim loại nhóm –COO/COOH –NH3+/NH2 Đối với phức Fe3+, dạng bền phức vị trí O1, O1-salt (ΔrG0 = -9,5 kcal/mol), phức Fe2+ bền phức hai vị trí Site2, Site2-salt (ΔrG0 = -8,8 kcal/mol) Ngồi ra, Ile tạo phức bền với ion Cu2+ vị trí O1 O2, O1-salt, O2-salt, với ion Cu+ vị trí Site1 Site2, Site1-salt, Site2-salt Bên cạnh đó, có mặt tác nhân khử Asc– O2●–, phức Ile với ion Fe3+ tiềm ẩn nguy “tiền oxy hóa” cao, đặc biệt phức chất O2-neu, O2-salt, Site1-neu Site2-salt Trái lại, tạo phức Ile với ion Cu2+ không gây nguy tiền oxy hóa Nghiên cứu hi vọng góp phần hiểu sâu sắc hoạt tính chống oxy hóa Ile dựa vào phản ứng quét ion kim loại chuyển tiếp, mà gợi mở nhìn nhiều chiều nguy tiền oxy hóa khơi mào từ phản ứng dạng Fenton Ile Các thơng tin quan trọng cho ứng dụng ngành dược Từ khóa: Sắt; đồng; phức chất; chất chống oxy hóa; amino acid; tiền oxy hóa; Fenton Abstract Complexation of isoleucine amino acid (Ile) with Fe3+/Fe2+ and Cu2+/Cu+ metal ions and pro-oxidant risks initiated by Fenton-type reduction reactions were investigated using the density functional theory (DFT) approach The standard enthalpies (ΔrH0), Gibbs free energies (ΔrG0), and reaction rate constants (Kf) and pKf for the complexation reactions were calculated in water at the M05-2X/6-311++G(d,p) level of theory In the biological environment, the results show that free amino acid Ile exists mainly in dipole salt form, and most of it interacts with metal ions at –COO/COOH and –NH3+/NH2 groups Regarding Fe3+ complex, the monodentate complex at O1 atom, O1-salt is the most stable form (ΔrG0 = -9,5 kcal/mol), while the most stable of Fe2+ complex is the bidentate one at Site2, Site2-salt (ΔrG0 = -8,8 kcal/mol) Besides, the amino acid Ile prefers to coordinate with Cu2+ ions at O1 and O2 atoms, O1-salt, O2-salt, and Cu+ ion at the Site1 * Corresponding Author: Duy Quang Dao, Institute of Research and Development, Duy Tan University, 55000, Da Nang, Vietnam, Faculty of Natural Science, Duy Tan University, 55000, Da Nang, Vietnam Email: daoduyquang@duytan.edu.vn N.T.H.Lan, T.Đ.Hiếu, N.T.Chinh, Đ.D.Quang / Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Duy Tân 2(51) (2022) 7-17 and Site2 positions, Site1-salt, Site2-salt sites In addition, in the presence of some reducing agents like ascorbate anion Asc and superoxide anion radical O2, the Ile-Fe3+ complexes have high pro-oxidant potential, especially the complexes O2-neu, O2-salt, Site1-neu, and Site2-salt In contrast, the complexation of Ile with Cu2+ ions does not tend pro-oxidant This study allows a better understanding of Ile’s transition metal chelating-based secondary antioxidant properties, suggesting a multi-facet view of the potential pro-oxidant risks initiated by Fenton-like reactions, which may be important for further medicinal applications Keywords: Iron; copper; complexes; antioxidant; amino acid; pro-oxidant; Fenton Giới thiệu L(+) Isoleucine (Ile), (2S,3S)-2-amino-3methylpentanoic acid, amino acid thiết yếu có cấu trúc phân nhánh (Hình 1) Đối với người động vật, Ile tham gia vào hoạt động chức sinh lý thể, bao gồm hỗ trợ chữa lành vết thương, kích thích chức miễn dịch, thúc đẩy tiết số hormone, tổng hợp hemoglobin, điều chỉnh lượng đường máu mức lượng [4, 8] Trong tự nhiên, Ile có nhiều trứng, protein đậu nành, rong biển, thịt gà, cá…[9, 2] Bên thể sinh vật, dạng “đơn vị sở” protein peptide, Ile tồn dạng tự trạng thái trung hòa muối lưỡng cực (Hình 1A 1B) Ngồi ra, Ile chứng minh có khả tạo phức với ion kim loại tồn thể sinh vật, đặc biệt ion kim loại chuyển tiếp Brij cộng (2015) [2] khảo sát khả tạo phức Ile ion Zn2+, Cd2+ Fe2+ phương pháp điện di giấy 35ᵒC Kết cho thấy phức chứa phối tử Ile có độ bền cao với pK1 có giá trị từ 6.50 đến 7.24 Trong đó, giá trị pK2 phức chứa phối tử Ile từ 2.97 đến 3.48 Kết nghiên cứu khả tạo phức Ile giảm dần theo chiều Zn2+ > Cd2+ > Fe2+ Trong thể người, kim loại chuyển tiếp đồng (Cu) sắt (Fe) tồn hàm lượng thấp mức vi lượng [12] Các kim loại tồn chủ yếu dạng ion tạo phức với hợp chất khác môi trường, thường protein, acid nucleic, amino acid… để tạo thành hợp chất sinh học quan trọng, bao gồm enzyme, co-enzyme protein chứa kim loại [12] Do ion kim loại chuyển tiếp có nhiều số oxy hóa khác nhau, chúng có khả tham gia vào phản ứng oxy hóa khử có khả dẫn đến việc tạo thành gốc tự gây hại thể Một phản ứng chuỗi phản ứng Haber – Weiss [10] Ví dụ chuỗi phản ứng Harber-Weiss có có mặt ion Fe2+/Fe3+ tác nhân khử superoxide (O2•–) xảy theo phản ứng đây: H2O2 + Fe2+ → Fe3+ + HO– + HO• (R1) Fe3+ + O2•– → Fe2+ + O2 (R2) Phản ứng Fenton hóa (R1) phản ứng “kiểu Fenton” xảy hydroperoxide ion kim loại nguyên nhân tạo gốc tự hydroxyl – HO• Trong q trình này, ion kim loại tham gia chất xúc tác, thúc đẩy trình chuyển H2O2 tạo thành gốc HO• [1] Gốc HO• tạo thành thường có xu hướng công vào hợp chất mang thông tin di truyền thể (DNA, RNA) phân tử cấu trúc nên thể (lipid, protein…) [13] Điều dẫn đến tổn thương tế bào; kéo dài gây viêm nhiễm, lão hóa, thối hóa thần kinh; dẫn đến số bệnh nghiêm trọng Alzhemer [21], ung thư [11] bệnh tim [16] Khi ion kim loại chuyển tiếp tạo phức với hợp chất khác có mơi trường, khả tham gia vào phản ứng Fenton hóa chúng dự đoán thay đổi đáng kể [19] Trong số nghiên cứu, phức chất tạo thành với ion kim loại Fe3+ Cu2+ dễ dàng phản ứng với tác nhân khử có mơi trường để chuyển dạng oxy hóa thấp Fe2+ Cu+ [3] Các N.T.H.Lan, T.Đ.Hiếu, N.T.Chinh, Đ.D.Quang / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 2(51) (2022) 7-17 ion lại tham gia vào phản ứng với H2O2 (R1) để tạo gốc HO• Điều khiến cho phản ứng Fenton hóa tăng cường Sự tăng cường dẫn đến loại nguy gọi “tiền oxy hóa” – pro-oxidant Một số hợp chất tự nhiên xác định có khả tăng cường phản ứng Fenton hóa ascorbic acid, dihydroxybenzenes (DHBs) [18, 20], polyphenol có trà [15] Trong nghiên cứu này, khảo sát khả tạo phức isoleucine với ion kim loại chuyển tiếp, gồm Fe3+/Fe2+ Cu2+/Cu+, sau đánh giá nguy tiền oxy hóa thơng qua thúc đẩy phản ứng khử Fenton Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density functional theory – DFT) sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc tính tốn giá trị thơng số hóa lượng tử Ile dạng tồn dạng phức chất ion kim loại Các giá trị enthalpy tiêu chuẩn – ΔrH0 lượng tự Gibbs tiêu chuẩn – ΔrG0 phản ứng tạo thành phức Ile-kim loại sử dụng để đánh giá độ bền nhiệt động khả tồn phức hợp Ile môi trường thể Bên cạnh đó, giá trị nhiệt động học (ΔrH0 ΔrG0) phản ứng oxy hóa khử xảy hợp chất phức Fe3+ Cu2+ với tác nhân khử, gồm superoxide anion (O2•-) ascorbate anion (Asc−), sử dụng để đánh giá nguy tiền oxy hóa Ile Hình 1: Cấu trúc phân tử isoleucine dạng trung hòa (A) dạng muối lưỡng cực (B) Các vị trí tạo phức giới thiệu cấu trúc Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory – DFT) sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc xác định thơng số hóa nhiệt động đặc trưng amino acid Ile phức chất Ile ion kim loại Các tính tốn thực mức lý thuyết M052X/6-311++G(d,p) chương trình Gaussian 09 Rev A.03 package [5] tiến hành dung môi nước 298.15 K Khả phức L-isoleucine với ion kim loại nghiên cứu tiến hành với ion Fe3+/Fe2+ Cu2+/Cu+ Sự tạo phức Ile ion kim loại xảy theo phản ứng (R1) (R2): L + [Fe(H2O)6]x+ → [FeL(H2O)6-n]x+ + nH2O, L + [Cu(H2O)4] y+ → [CuL(H2O)4-n] + nH2O, Trong đó, n = tương ứng với phức tạo thành phức phức L dạng tồn Ile dung dịch (trung hòa muối lưỡng cực) x = điện tích ion phức Fe3+ Fe2+, y = điện tích ion phức Cu2+ Cu+ Dựa phản ứng (R1) y+ (R3) (R4) (R2), giá trị thơng số hóa nhiệt động phản ứng, bao gồm enthalpy tiêu chuẩn – ΔrH0 lượng tự Gibbs tiêu chuẩn – ΔrG0, xác định dựa công thức đây: Đối với tạo phức phức Fe-Ile: N.T.H.Lan, T.Đ.Hiếu, N.T.Chinh, Đ.D.Quang / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 2(51) (2022) 7-17 ΔrH0 = H([FeL(H2O)6–n]x+) + nH(H2O) – H(L) – H([Fe(H2O)6]x+) (eq.1) ΔrG0 = G([FeL(H2O)6–n]x+) + nG(H2O) – G(L) – G([Fe(H2O)6]x+) (eq.2) 69 Đối với tạo phức phức Cu-Ile: ΔrH0 = H([CuL(H2O)4–n]y+) + nH(H2O) – H(L) – H([Cu(H2O)4]y+) (eq.3) ΔrG0 = G([CuL(H2O)4–n]x+) + nG(H2O) – G(L) – G([Cu(H2O)6]x+) (eq.4) Nguy tiền oxy hóa Ile đánh giá dựa phản ứng oxy hóa khử chuyển Fe3+ thành Fe2+ Cu2+ thành Cu+ Các phản ứng tạo thành ion Fe2+ Cu+, nhân tố liên quan đến tạo thành gốc tự hydroxyl HO• – gốc tự có hoạt tính cao Trong nghiên cứu này, sử dụng tác nhân [FeL(H2O)6–n]3+ + Asc– khử ascorbate anion (Asc–) superoxide anion radical (O2•–) Đây tác nhân sử dụng số nghiên cứu khác [3, 19] Các phản ứng oxy hóa - khử xảy ion Fe3+ Cu2+ hai tác nhân khử xảy theo phản ứng (R5)–(R8):  [FeL(H2O)6–n]2+ + Asc•, (R5) [FeL(H2O)6–n]3+ + O2•–  [FeL(H2O)6–n]2+ + O2, (R6) [CuL(H2O)6–n]2+ + Asc–  [CuL(H2O)6–n]+ + Asc•, (R7) [CuL(H2O)4–n]2+ + O2•–  [CuL(H2O)4–n]+ + O2, (R8) Tương tự, phản ứng dạng hydrat hóa hai ion kim loại Fe3+ Cu2+ xảy theo phản ứng (R9)–(R12): [Fe(H2O)6]3+ + Asc–  [Fe(H2O)6]2+ + Asc•, (R9) [Fe(H2O)6]3+ + O2•–  [Fe(H2O)6]2+ + O2, (R10) [Cu(H2O)6]2+ + Asc–  [Cu(H2O)6]+ + Asc•, (R11) [Cu(H2O)4]2+ + O2•–  [Cu(H2O)4]+ + O2, Giá trị lượng tự Gibbs tiêu chuẩn – ΔrG0 phản ứng oxy hóa khử (R5)– (R12) xác định dựa chênh lệch lượng tự Gibbs (G) sản phẩm so với ion phản ứng (R12) Hằng số cân phản ứng (Kf) giá trị sử dụng để khảo sát nồng độ chất trạng thái cân [7, 14, 17] Giá trị Kf xác định dựa ΔrG0 phản ứng theo công thức (eq.6) [6] Đối với phản ứng phức Fe3+ Ile Asc- – (R3), giá trị ΔrG0 xác định theo công thức (eq.5) Kết thảo luận ΔrG0 = G([FeL(H2O)6–n]2+) + G(Asc•) – G([FeL(H2O)6–n]3+) – G(Asc–) (eq.5) 3.1 Cấu trúc hình học điện tử isoleucine Đối với phản ứng oxy hóa khử (R6)– (R12), giá trị ΔrG0 xác định tương tự Hình 3.1 biểu diễn cấu trúc tối ưu hóa, cấu trúc orbital biên HOMO - LUMO giản đồ bề mặt tĩnh điện (ESP) Ile dạng muối trung hòa (A) dạng muối lưỡng cực (eq.6) 11 N.T.H.Lan, T.Đ.Hiếu, N.T.Chinh, Đ.D.Quang / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 2(51) (2022) 7-17 (B) pha nước mức lý thuyết M05-2X/6311++G(d,p) Cấu trúc phân tử hai dạng trung hòa (A) muối lưỡng cực (B) tối ưu hóa trình bày Hình 3.1 Trong cấu trúc hai dạng này, nguyên tử C5 liên kết với hai nhóm chức –NH2 và–COOH dạng trung hịa (A), với hai nhóm chức –NH3+ –COO– dạng muối lưỡng cực (B) Sự khác hai nhóm chức khiến cho cấu trúc dạng tồn A, B Ile khác Ngoài ra, dạng muối lưỡng cực Ile có giá trị ΔH0 ΔG0 thấp dạng trung hịa 6.1 6.0 kcal/mol Vì vậy, dạng muối lưỡng cực B dạng tồn Ile dung dịch Trong nghiên cứu này, giá trị nhiệt động dạng B sử dụng để xác định thực cho tính tốn Hình 3.1: Cấu trúc tối ưu, phân bố orbital HOMO, LUMO, giản đồ bề mặt tĩnh điện ESP isoleucine (Ile) dạng trung hòa (A) dạng muối lưỡng cực (B) dung môi nước Giá trị dấu ngoặc đơn enthalpy lượng tự Gibbs tương đối hai dạng tồn (đơn vị: kcal/mol) Sự phân bố HOMO, LUMO tập trung chủ yếu vị trí O1, O2, C9, C5, N3 Ngược lại, mạch R, cấu trúc orbital biên tập trung khơng đáng kể Như vậy, dự đoán phân tử Ile chủ yếu tương tác với ion kim loại vị trí O1, O2, C9, C5 N3 Giản đồ bề mặt tĩnh điện thể phân bố điện tích tính chất liên quan đến điện tích phân tử Màu đỏ biểu diễn vùng có điện tích âm nhất, màu xanh dương đại diện cho vùng có tĩnh điện dương Dựa vào giản đồ ESP, nhận thấy cấu trúc B, mật độ điện tích dương tập trung lớn nhóm –NH3+ cấu trúc A, mật độ điện tích dương –NH2 thấp Tương tự, mức tập trung điện tích âm nhóm –COO– dạng B cao nhiều so với nhóm –COOH dạng A Vì vậy, cấu trúc B dự đốn có khả phân cực cao so với cấu trúc A Như vậy, môi trường thể, muối lưỡng cực dạng tồn isoleucine tự Khi tương tác với ion kim loại, nhóm –COO–/COOH –NH3+/NH2 dự đốn nhóm tạo phức 3.2 Sự tạo phức isoleucine ion kim loại chuyển tiếp 3.2.1.Sự tạo phức isoleucine ion Fe3+ Fe2+ Cấu trúc tối ưu phức Ile với ion Fe Fe3+ hydrate hóa khảo sát dung mơi nước mức lý thuyết M05-2X/6311++G(d,p) trình bày Hình 3.2 Trong đó, phức O2-neu, O1-salt O2-salt phức mà Ile đóng vai trị phối tử đơn (monodentate) Ile đóng vai trị phối tử hai (bidentate) phức Site1-neu Site2-salt Các giá trị nhiệt động phản 2+ N.T.H.Lan, T.Đ.Hiếu, N.T.Chinh, Đ.D.Quang / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 2(51) (2022) 7-17 ứng tạo thành phức chất Ile-Fe 298,15K xác định Bảng 3.1 Năng lượng tự Gibbs tiêu chuẩn – ΔrG0 sử dụng để đánh giá cân phản ứng Dựa vào giá trị nhiệt động phản ứng tạo phức, thấy phức dạng B có độ bền cao thuận lợi mặt lượng Thật vậy, thông số ΔrG0 phức O1-salt, O2-salt Site2-salt ion Fe2+ 12 Fe3+ có giá trị từ -4,5 đến -9,5 kcal/mol -5,7 đến -8,8 kcal/mol Ngược lại, phức Fe Ile dạng A bền với giá trị ΔrG0 dương, trừ phức Fe3+ vị trí Site1-neu có ΔrG0 = -1,2 kcal/mol Ngoài ra, dựa vào giá trị nhiệt động, phức Fe3+ bền phức vị trí O1-salt (ΔrG0 = 9,5 kcal/mol) phức Fe2+ bền phức hai vị trí Site2-salt (ΔrG0 = -8,8 kcal/mol) Bảng 3.1: Enthalpy phản ứng (rH0, kcal/mol) lượng tự Gibbs tiêu chuẩn (rG0, kcal/mol) nhiệt độ 298,15 K phản ứng tạo phức isoleucine (Ile) dạng trung hòa dạng muối lưỡng cực với ion [Fe(H2O)6]3+/[Fe(H2O)6]2+ [Cu(H2O)4]2+/[Cu(H2O)4]+ Phức chất Vị trí O2-neu O1-salt O2-salt Site1-neu Site2-salt [Fe(H2O)6]3+ rH0 rG0 3,8 7,4 -14,0 -9,5 -6,8 -4,5 7,0 0,7 2,2 -5,9 [Fe(H2O)6]2+ rH0 rG0 0,9 6,0 -9,2 -6,4 -8,6 -5,7 5,3 -1,2 -0,1 -8,8 [Cu(H2O)4]2+ rH0 rG0 3,7 5,6 -11,4 -9,3 -11,0 -9,1 1,0 -6, 0,6 -75 [Cu(H2O)4]+ rH0 rG0 3,2 8,7 -4,3 0,2 -3,5 0,8 2,2 -2,7 -3,1 -7,6 Hình 3.2: Cấu trúc phân tử phức chất hai isoleucine dạng trung hòa (neu) dạng muối lưỡng cực (salt) với ion (A) [Fe(H2O)6]3+ (B) [Fe(H2O)6]2+ Độ dài số liên kết đặc trưng ghi hình N.T.H.Lan, T.Đ.Hiếu, N.T.Chinh, Đ.D.Quang / Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Duy Tân 2(51) (2022) 7-17 3.2.2 Sự tạo phức isoleucine ion Cu2+ Cu+ Cấu trúc tối ưu phức Ile với ion Cu2+ Cu+ dung môi nước mức lý thuyết M05-2X/6-311++G(d,p) thể Hình 3.3 Các giá trị enthalpy lượng tự Gibbs tiêu chuẩn phản ứng tạo phức Ile dạng trung hòa dạng muối lưỡng cực với ion [Cu(H2O)4]2+, [Cu(H2O)4]+ giới thiệu Bảng 3.1 Tương tự ion Fe, Ile tạo với ion Cu thành phức đơn vị trí O1 O2, gồm O2-neu, O1-salt O2-salt, tạo thành phức hai vị trí site1 site2, bao gồm Site1-neu Site2-salt Về khả tạo phức với ion Cu, hầu hết phức Cu2+ Ile có độ bền nhiệt động cao với giá trị ΔrG0 âm, trừ phức đơn 13 O2-neu với ΔrG0 = 5,6 kcal/mol Các phức Ile bền Cu2+ có giá trị từ -6,5 đến -9,3 kcal/mol Ngoài ra, tạo thành phức đơn tạo thành hai vị trí O1 O2 nhóm – COO dạng muối lưỡng cực có độ bền cao thuận lợi mặt nhiệt động (ΔrG0 từ -9,1 đến -9,3 kcal/mol) mặt lượng (đều trình tỏa nhiệt với ΔrH0 biến thiên từ -11,0 đến -11,4 kcal/mol) Ngược lại, phức Cu+, có phức hai có độ bền nhiệt động cao, với giá trị ΔrG0 phản ứng tạo thành phức Site1-neu Site2-salt -2,7 -7,6 kcal/mol Ngược lại, phức Ile Cu+ bền với giá trị ΔrG0 dương, từ 0,2 đến 8,7 kcal/mol Như vậy, amino acid Ile tạo phức bền với ion Cu vị trí O1-salt, O2-salt, Cu2+ vị trí Site1, Site2-salt, Cu+ Hình 3.3: Cấu trúc phân tử phức chất hai isoleucine dạng trung hòa (neu) dạng muối lưỡng cực (salt) với ion (A) [Cu(H2O)4]2+ (B) [Cu(H2O)4]+ Độ dài số liên kết đặc trưng ghi hình 14 N.T.H.Lan, T.Đ.Hiếu, N.T.Chinh, Đ.D.Quang / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 2(51) (2022) 7-17 3.3 Nguy tiền oxy hóa isoleucine Trong môi trường thể chứa tác nhân khử ascorbate anion hay superoxide anion radical, ion Fe3+ Cu2+ dù tạo phức với Ile có nguy tham gia phản ứng khử để chuyển ion Fe2+ Cu+ Như giới thiệu phần trên, ion kim loại trạng thái oxy hóa thấp có khả tham gia phản ứng Fenton tạo gốc hydroxyl (HO•) có hoạt tính cao Như vậy, phản ứng khử ion kim loại chuyển tiếp từ số oxy hóa cao số oxy hóa thấp giai đoạn khơi mào cho q trình tạo gốc HO• Vì việc khảo sát phản ứng khử phức tạo thành từ amino acid Ile với Fe3+ Cu2+ với tác nhân khử giúp khảo sát nguy tiền oxy hóa (prooxidant) có từ việc tạo phức Q trình đánh giá dựa tính tốn giá trị nhiệt động phản ứng (rG0) số cân (Kf) phản ứng chuyển phức IleFe3+ thành phức Ile-Fe2+ phức Ile-Cu2+ thành phức Ile-Cu+ có mặt tác nhân khử, gồm ascorbate anion (Asc) superoxide anion radical (O2) Các giá trị rG0 Kf phản ứng chuyển phức Ile-Fe3+ thành Ile-Fe2+ có mặt tác nhân khử Asc O2• trình bày Bảng 3.2 Bảng 3.2: Năng lượng Gibbs tự tiêu chuẩn (rG0, kcal/mol) số cân phản ứng (Kf) phản ứng chuyển phức chất Ile-Fe3+ thành Ile-Fe2+ có mặt tác nhân khử ascorbate anion (Asc) superoxide anion radical (O2) dung môi nước 298,15K Phản ứng Kf pKf rG0 3+ – 2+ • [Fe(H2O)6] + Asc  [Fe(H2O)6] + Asc ; (R7) -14,4 3,48×1010 - 10,5 3+ 2+ [FeL(H2O)6n] +Asc [FeL(H2O)6n] +Ascã; (R3) O2-neu -15,8 3.97ì1011 -11,6 O1-salt -11,3 1.80×108 -8,3 11 O2-salt -15,5 2.49×10 -11,4 Site1-neu -16,3 8.51×1011 -11,9 12 Site2-salt -17,3 4.65×10 -12,7 Nhìn chung, giá trị rG0 hai phản ứng thấp so với phản ứng khử thân ion [Fe(H2O)6]3+, ngoại trừ phức O1-salt Thật vậy, giá trị rG0 phản ứng khử Asc– O2•– với phức chất đơn O2-neu, O2-salt -15,8 / -42,6 kcal/mol; -15,5 / -42,3 kcal/mol, với phức chất hai Site1-neu, Site2-salt 16,3 / -43,0 kcal/mol; -17,3 / -44,0 kcal/mol Những giá trị thấp so với phản ứng khử thân ion [Fe(H2O)6]3+ (lần lượt -14,4 / -41,1 kcal/mol) Ngoài ra, số tốc độ phản ứng (Kf) phức chất với tác nhân khử Asc– O2•, ngoại trừ phức chất O1-salt, cao so với phản ứng ion [Fe(H2O)6]3+ Điều có nghĩa phức chất O2-neu, O2-salt, Site1-neu, Site2-salt Kf pKf rG0 3+ •– 2+ [Fe(H2O)6] +O2 [Fe(H2O)6] +O2; (R8) -41,1 1,45ì1030 -30,2 3+ ã 2+ [FeL(H2O)6–n] +O2 [FeL(H2O)6–n] +O2; (R4) -42,6 1.65×1031 -31,2 -38,0 7.48×1027 -27,9 31 -42,3 1.03×10 -31,0 -43,0 3.53×1031 -31,5 32 -44,0 1.93×10 -32,3 dự đốn có nguy cao thúc đẩy phản ứng dạng Fenton Do ion Fe3+ tạo phức với Ile làm tăng cường phản ứng khử chuyển ion Fe3+ dạng oxy hóa thấp Fe2+ Ion Fe2+ lại tham gia vào phản ứng với H2O2 để tạo gốc HO•, tiềm ẩn nguy “tiền oxy hóa” nói đến Các giá trị nhiệt động phản ứng khử phức chất Ile-Cu2+ với hai tác nhân khử trình bày Bảng 3.3 Trái ngược ion Fe, phản ứng khử phức Ile-Cu2+ với tác nhân khử có giá trị rG0 cao so với phản ứng thân ion [Cu(H2O)4]2+, ngoại trừ phản ứng khử phức Site2-salt Thật vậy, giá trị rG0 tác nhân khử Asc / O2• với phức đơn O2-neu, O1salt, O2 salt với phức chất hai Site1- N.T.H.Lan, T.Đ.Hiếu, N.T.Chinh, Đ.D.Quang / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 2(51) (2022) 7-17 neu 3,2 / 3,1 kcal/mol; 9,5 / 9,4 kcal/mol; 9,9/ 8,9 kcal/mol; 3,8 / 3,8 kcal/mol cao phản ứng ion [Cu(H2O)4]2+(lần lượt 17,3 / -9,4 kcal/mol) Do đó, phản ứng khử phức chất Site 2-salt diễn thuận lợi nhất, phản ứng không thuận lợi với phức O2-neu, O1-salt, O2 salt, Site1-neu Ngoài ra, số tốc độ phản ứng (Kf) phản ứng khử hầu hết phức chất thấp so với phản ứng khử ion [Cu(H2O)4]2+ Điều có nghĩa 15 tạo thành phức với ion Cu khơng gây nguy tiền oxy hóa với trường hợp tạo phức với ion Fe Tóm lại, tạo phức amino acid Ile với ion Fe3+ môi trường nước tiềm ẩn nguy “tiền oxy hóa” thể có mặt hai tác nhân khử Asc– O2•–, đặc biệt phức chất O2-neu, O2-salt , Site1-neu Site2-salt Trong đó, tạo phức Ile với ion Cu gần khơng gây nguy tiền oxy hóa Bảng 3.3: Năng lượng Gibbs tự tiêu chuẩn (rG0, kcal/mol) số cân phản ứng (Kf) phản ứng chuyển phức chất Ile-Cu2+ thành Ile-Cu+ có mặt tác nhân khử ascorbate anion (Asc) superoxide anion radical (O2•) dung mơi nước 298,15K Phản ứng Kf pKf rG0 2+ [Cu(H2O)6] +Asc–[Cu(H2O)6]++Asc•; (R9) Kf pKf rG0 [Cu(H2O)4]2++O2ã[Cu(H2O)4]++O2; (R10) 17,3 2,00ì10-13 12,7 -9,4 8,29ì106 -6,9 2+ – + • 2+ •– [CuL(H2O)6–n] +Asc [CuL(H2O)6–n] +Asc ; (R5) [CuL(H2O)4–n] +O2 [CuL(H2O)4–n]++O2; (R6) -15 O2-neu 20,5 1,01×10 15,0 -6,3 4,20×10 -4,6 -20 -1 O1-salt 26,8 2,35×10 19,6 0,0 9,75×10 0,0 O2-salt 27,2 1,06×10-20 20,0 0,5 4,41×10-1 0,4 -16 Site1-neu 21,1 3,31×10 15,5 -5,6 1,37×10 -4,1 Site2-salt 17,2 2,54×10-13 12,6 -9,6 1,05×107 -7,0 bệnh viêm khớp dạng thấp, chứng loạn dưỡng Theo nhiều nghiên cứu lý thuyết, oxy cơ, bệnh xơ cứng teo bên, bệnh hóa protein amino acid tự gốc Alzheimer, đục thủy tinh thể, bệnh amyloidosis tự thủ phạm gây hệ thống, hội chứng suy hô hấp, progeria, bệnh cho thể, đáng kể lão hoá, bệnh hội chứng Werner xơ vữa động mạch, ung thư Alzheimer [22, 23] Thật vậy, oxy hóa protein dẫn đến đứt gãy mạch polypeptide, thay đổi mạch nhánh amino acid, biến đổi protein thành dẫn xuất nhạy cảm với phân hủy Và người ta thấy mức độ oxi hóa protein tăng cao với tuổi tác người [22] Ngoài ra, nhiều nghiên cứu khác q trình oxy hóa protein có liên quan đến nguyên, tiến triển biểu số bệnh [23] Sự tăng cao cacbonyl protein, sản phẩm oxy hóa protein, có liên quan đến Vì vậy, việc nghiên cứu chế q trình oxy hóa amino acid, đơn vị cấu trúc tạo nên protein, yếu tố ảnh hưởng phản ứng Fenton tạo phức với ion kim loại chuyển tiếp có sẵn thể (ion Fe, Cu) đóng ý nghĩa quan trọng việc hiểu rõ nguồn gốc loại bệnh nêu Từ đó, làm tảng cho nghiên cứu xa liên quan đến tìm kiếm, thiết kế hợp chất chống oxi hóa (để quét gốc tự do) hay thuốc đặc trị nhằm điều trị loại bệnh liên quan 16 N.T.H.Lan, T.Đ.Hiếu, N.T.Chinh, Đ.D.Quang / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 2(51) (2022) 7-17 Kết luận Trong nghiên cứu này, tạo phức amino acid L-isoleucine (Ile) với ion Fe3+/Fe2+ Cu2+/Cu+ khảo sát lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) Các giá trị thông số nhiệt động phản ứng tạo phức bao gồm enthalpy tiêu chuẩn – ΔrH0 lượng tự Gibbs tiêu chuẩn – ΔrG0, số cân (Kf) pKf tính tốn mức lý thuyết M05-2X/6-311++G(d,p) dung môi nước Kết cho thấy, amino acid Ile tạo phức bền với ion Fe3+ theo dạng phức vị trí O1, O1-salt (ΔrG0 = -9,5 kcal/mol) với ion Fe2+ theo dạng hai vị trí site2, Site2-salt (ΔrG0 = -8,8 kcal/mol) Ngồi ra, Ile tạo phức bền với ion Cu2+ vị trí O1 O2, O1-salt, O2-salt, với ion Cu+ vị trí site1 site2, Site1-salt, Site2-salt Các phản ứng khử chuyển phức Fe3+-thành-Fe2+ Cu2+-thành-Cu+ có mặt tác nhân khử Asc– O2•– khảo sát trình khơi mào cho phản ứng dạng Fenton Kết cho thấy phức amino acid Ile với ion Fe3+ tiềm ẩn nguy “tiền oxy hóa” cao, đặc biệt phức chất O2-neu, O2-salt, Site1-neu Site2-salt Tuy nhiên, tạo phức Ile với ion Cu2+ không gây nguy tiền oxy hóa [5] Tài liệu tham khảo [15] [1] K Barbusinski, (2009), Fenton reaction Controversy concerning the chemistry, Ecol Chem Eng S 16, pp 347–358 [2] B B Tewari, A K Tiwari, (2015), Interaction of isoleucine with metal ions in chemical and biological systems, Revista Boliviana de Qmica 32(1), pp 1-7 [3] R Casteda-Arriaga, A Pérez-González, J R Alvarez-Idaboy, A Galano, (2018), Role of purines on the copper-catalyzed oxidative damage in biological systems: Protection versus promotion, International Journal of Quantum Chemistry 118(9), p e25527 [4] M E Hossain, M Hasana, M.E Halim, M Q Ehsan, M A Halim, (2015), "Interaction between transition metals and phenylalanine: a combined experimental and computational study", [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [16] [17] [18] Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc 138, pp 499-508 M J Frisch et al (2016), Gaussian 16 Revision A 03 Gaussian Inc., Wallingford, CT, USA G García-Díez, N Mora-Diez, (2020), Theoretical study of the iron complexes with aminoguanidine: Investigating secondary antioxidant activity, Antioxidants 9(8), p 756 R Golbedaghi, F Khajavi, (2014), Investigation of formation constant of complex of a new synthesized tripodal ligand with Cu2+ using rank annihilation factor analysis in surfactant media, Bulletin of the Chemical Society of Ethiopia 28(1), p W Sakami, H Harrington, (1963), Amino Acid Metabolism, Annu Rev Biochem 1963;32:355-98 J J Otten, J P Hellwig, L D Meyers, (2006), Dietary DRI Reference Intakes The Essential Guide to Nutrient Requirements, The National Academies Press W H Koppenol, (2001), The Haber-Weiss cycle 70 years later, Redox Rep 6(4), pp 229-34 I Liguori, G Russo, F Curcio, G Bulli, L Aran, D Della-Morte, G Gargiulo, G Testa, F Cacciatore, D Bonaduce, P Abete, (2018), Oxidative stress, aging, and diseases, Clinical interventions in aging 13, p 757 M Moustakas, (2021), The role of metal ions in biology, biochemistry and medicine, Multidisciplinary Digital Publishing Institute, p 549 M Nita, A Grzybowski, (2016), The role of the reactive oxygen species and oxidative stress in the pathomechanism of the age-related ocular diseases and other pathologies of the anterior and posterior eye segments in adults, Oxidative medicine and cellular longevity, 2016:3164734 E I Ochiai, R Morand, (2007), Formation Constant of the Calcium (Atp)2complex, Journal of Coordination Chemistry, 14(1), pp 83-86 Q Ouyang, F Kou, N Zhang, J Lian, G Tu, Z Fang, (2019), Tea polyphenols promote Fenton-like reaction: pH self-driving chelation and reduction mechanism, Chemical Engineering Journal 366, pp 514-522 N P Jessica, A Saraf, N Ghazal, T T Pham, J Q Kwong, (2019), Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in heart disease, Experimental & molecular medicine 51(12), pp 1-13 S Muthaiah, A Bhatia, M Kannan, (2020), Stability of Metal Complexes, Stability and Applications of Coordination Compounds, IntechOpen, DOI: 10.5772/intechopen.90894 V A Timoshnikov, T V Kobzeva, N E Polyakov, G J Kontoghiorghes, (2020), Redox Interactions of Vitamin C and Iron: Inhibition of the Pro-Oxidant Activity by Deferiprone, Internatioal Journal of Molecular Sciences, 21(11), 3967 N.T.H.Lan, T.Đ.Hiếu, N.T.Chinh, Đ.D.Quang / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 2(51) (2022) 7-17 [19] D H Truong, N.T.A Nhung, D.Q Dao, (2020), "Iron ions chelation-based antioxidant potential vs pro-oxidant risk of ferulic acid: A DFT study in aqueous phase", Computational and Theoretical Chemistry 1185, p 112905 [20] C L Zanta, L C Friedrich, A Machulek Jr., K M .Higa, F H Quina, (2010), Surfactant degradation by a catechol-driven Fenton reaction, Journal of Hazardous Material 178(1-3), pp 258-63 17 [21] Z Zhongwei, (2019), Iron and oxidizing species in oxidative stress and Alzheimer's disease, Aging Medicine 2(2), pp 82-87 [22] E R Stadtman, (2006), Protein oxidation and aging, Free Radical Research, 40(12): 1250–1258 [23] E R Stadtman, B S Berlett, (1998), Reactive oxygen-mediated protein oxidation in aging and disease, Drug Metabolism Reviews 30(2):225-43  ... độ phản ứng (Kf) phản ứng khử hầu hết phức chất thấp so với phản ứng khử ion [Cu(H2O)4]2+ Điều có nghĩa 15 tạo thành phức với ion Cu khơng gây nguy tiền oxy hóa với trường hợp tạo phức với ion. .. đốn có nguy cao thúc đẩy phản ứng dạng Fenton Do ion Fe3+ tạo phức với Ile làm tăng cường phản ứng khử chuyển ion Fe3+ dạng oxy hóa thấp Fe2+ Ion Fe2+ lại tham gia vào phản ứng với H2O2 để tạo gốc... trên, ion kim loại trạng thái oxy hóa thấp có khả tham gia phản ứng Fenton tạo gốc hydroxyl (HO•) có hoạt tính cao Như vậy, phản ứng khử ion kim loại chuyển tiếp từ số oxy hóa cao số oxy hóa thấp