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Antioxidation Mechanisms of Catechins : A Computational Study

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Academic year: 2021

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JCPE Journal, Vol.13, No.4,255-262 (2001)

投 稿 論 文

化 学 計 算 を用 い た カテ キ ン類 の抗 酸 化 作 用 機 構 の解 明

栗 原 正 明1*, 近 藤 一 成2, 豊 田 正 武2, 宮 田 直 樹1 国 立 医 薬 品 食 品 衛 生 研 究 所 1有 機 化 学 部, 2食 品 部 (〒158-8501東 京 都 世 田 谷 区 上 用 賀1-18-1)

Received 3 September 2001; accepted 26 November 2001

半 経 験 的 分 子 軌 道 法 に よ り カ テ キ ン 類 の す べ て のC-H,O-HのBond Dissociation Enthalpy (BDE)を 計 算 し た 。 そ の 結 果,ベ ン ジ ル 位 で あ るC環 のC-2位 のC-HのBDEが 特 に 低 い 値 で あ る こ と か ら,こ の 水 素 の 引 き 抜 き が カ テ キ ン の 抗 酸 化 作 用 に 重 要 で あ る と 考 え た 。 LC/MS/MS,UV等 の 結 果 と あ わ せ る こ と に よ り カ テ キ ン の ラ ジ カ ル 消 去 の メ カ ニ ズ ム を 提 出 し た 。 1. 緒 言 活 性 酸 素 を は じ め とす る フ リ ー ラ ジ カ ル 種 が 生 体 傷 害 の 大 き な 原 因 の ひ と つ で あ り,老 化 や 疾 病 に 深 くか か わ っ て い る と考 え ら れ て い る 。 こ の よ う な 酸 化 ス ト レ ス を 防 御 す る こ と が で き れ ば,疾 病 の 予 防 に つ な が る と の 期 待 か ら,カ テ キ ン を初 め と し て 抗 酸 化 物 質 が 大 き な 注 目 を集 め 、 活 発 な 研 究 が 行 わ れ て い る 。 カテ キ ン類 は 茶(Camellia sinensis)に 含 ま れ る ポ リフ ェ ノ ー ル で,発 が ん抑 制1),抗 ア レ ル ギ ー 作 用2)な ど数 多 くの 生 物 作 用 が 報 告 され て 注 目 さ れ て い る 。 そ の 作 用 は 主 に カ テ キ ン の 抗 酸 化 作 用 に 基 づ く もの と 考 え ら れ て い る 。 こ の 抗 酸 化 作 用 は,酸 素 ラ ジ カ ル 種 を一 電 子 還 元 し 消 去 す る こ とに よ り発 揮 され る 。 通 常,抗 酸 化 物 質 の フ ェ ノ ー ル 性 水 酸 基 が 反 応 部 位 と な る 。 Fig. 1

(2)

い こ と が わ か っ て き た 。 実 際,カ テ キ ン の 一 成 分 で あ る(-)-epicatechin 1は フ ラ ボ ノ イ ドの quercetin5よ り還 元 能 が 低 い に も 関 わ らず,そ の 抗 酸 化 作 用 は 同 等 か そ れ 以 上 強 い 。 ま た, カ テ キ ン類 の 中 で も,ラ ジ カ ル 消 去 能 と水 酸 基 の 数 は 必 ず し もパ ラ レ ル で は な い 。 こ れ は, カ テ キ ン の 場 合 に は 抗 酸 化 作 用 に 関 わ る 反 応 部 位 が フ ェ ノ ー ル 性 水 酸 基 以 外 に も存 在 す る こ と を示 唆 し て い る 。 こ れ ま で 抗 酸 化 作 用 に 関 す る 数 多 くの 報 告 が 存 在 す る もの の,そ の 作 用 機 構,反 応 機 構 に 関 す る 報 告 は ほ と ん ど な く,唯 一 カ テ コ ー ル 部 分 が 反 応 して 自 身 はo-キ ノ ン と な る と推 測 さ れ て い る の み で あ る.ま た,ポ リ フ ェ ノ ー ル 類 の 生 物 活 性 発 現 に は そ の 酸 化 体 も 関 与 し て い る こ と が 十 分 考 え ら れ る 。 した が っ て,種 々 の 生 物 活 性 機 構 を 理 解 す る う え で 抗 酸 化 作 用 機 構 を 明 ら か に す る こ と は 不 可 欠 で あ る 。 そ こ で,カ テ キ ン 類 ((-)-epicatechin 1,(-)-epigallocatechin 2,(-)-epicatechin gallate3, (-)-epigallocatechin gallate 4) の ラ ジ カ ル 消 去 の メ カ ニ ズ ム を 明 ら か に す る た め,化 学 計 算(分 子 力 学 法 、 お よ び 分 子 軌 道 法)を 用 い る こ と を 検 討 した 。 さ ら に,LC/MS/MS,UV等 の 機 器 分 析 の 結 果 と 合 わ せ て,抗 酸 化 の 作 用 メ カ ニ ズ ム の 解 明 を行 っ た 。

2. 方 法

半 経 験 的 分 子 軌 道 法 を 用 い て4種 の カ テ キ ン 類1∼4の 全 て のC-H,O-HのBond

Dissociation Eenthalpy(BDE)3,4)を 求 め た(Fig.2)。 計 算 方 法 の 手 順 を 以 下 に 示 す 。 初 め に, 分 子 力 学 計 算 に よ る 化 合 物 の コ ン フ ォ メ ー シ ョ ン解 析 を行 い,最 安 定 構 造 を 求 め た 。Fig.3に 1∼4の 最 安 定 コ ン フ ォマ ー の 三 次 元 構 造 を 示 し た 。3,4に 関 して は エ ネ ル ギ ー 差 の 小 さ い 二 つ の コ ン フ ォマ ー を 最 安 定 構 造 と した 。 そ の 構 造 を 初 期 構 造 と し,半 経 験 的 分 子 軌 道 法(PM3)に よ り生 成 熱 を 求 め た 。 そ の 際, 水 酸 基 か ら水 素 ラ ジ カ ル を除 い た ラ ジ カ ル 種 の 場 合,隣 接 す る 水 酸 基 の 向 き に よ りエ ネ ル ギ ー が 異 な る 場 合 が あ る の で 隣 接 す る水 酸 基 を 回 転 さ せ た もの も計 算 し,一 番 低 い エ ネ ル ギ ー の もの を 求 め た 。 プ ロ グ ラ ム は 分 子 力 学 計 算 に よ る コ ン フ ォ メ ー シ ョ ン解 析 に はMacro Model (Schrodinger,Inc.)を,半 経 験 的 分 子 軌 道 法 はSPARTAN(Wavefunction,Inc.)を 用 い た 。 計 算 の 仕 様 に 関 して はTable 1の 条 件 を 用 い た 。 Fig. 2

(3)

1: EC 2: EGC

3: ECG

4: EGCG

Fig. 3

(4)

3. 結 果 及 び 考 察

先 に 示 し た 様 に 、 経 験 的 分 子 軌 道 法(PM3)に よ っ て 求 め た カ テ キ ン 類1∼4のC-H,O-Hの BDEの 計 算 結 果 をFig.4に 示 し た 。 カ テ キ ン の ベ ン ジ ル 位 で あ り,酸 素 原 子 と 結 合 し たC-2 位 のC-HのBDEは,フ ェ ノ ー ル 性 水 酸 基 のO-HのBDE(EC:72.1 kcal/mol,EGC:68.4 kcal/mol,ECG:69.1 kcal/mol,EGCG:67.7kcal/mol)と 比 較 し て も,特 に 低 い と い う 結 果 を 得 た

(EC:64.8kcal/mol,EGC:65.5kcal/mol,ECG:64.6kcal/mol,EGCG:65.3kcal/mol)。 こ の こ と は,カ テ キ ン のC-2位 か ら の 水 素 ラ ジ カ ル の 引 き 抜 き が,他 の 水 素 と 比 較 し て も,容 易 に お こ る こ と を 示 し て い る 。 カ テ キ ン 類 が ラ ジ カ ル 種 と 共 存 し た と き,フ ェ ノ ー ル 性 水 酸 基 の 水 素 引 き 抜 き に 加 え て,こ のC-2位 の 水 素 引 き 抜 き が ラ ジ カ ル 消 去 の 機 構 に 重 要 な 役 割 を 果 た す こ と が 示 唆 さ れ た 。 さ ら に,ラ ジ カ ル 開 始 剤2,2'-azobis (2-aminopropane) dihydrochloride (AAPH)と カ テ キ ン 類 か ら 生 成 す る 反 応 中 間 体 のLC/MS/MSお よ びUVス ペ ク トル 等 の 実 験 結 果 と 併 せ て 考 察 す る こ と に よ り 、 カ テ キ ン 類 の ラ ジ カ ル 消 去 の メ カ ニ ズ ム を 提 出 し た5,6)

(Fig.5,Fig.6)。

1: EC 2: EGC

3: ECG 4: EGCG

(5)

す な わ ち,EC 1に お い て はLC/MS/MSの フ ラ グ メ ン ト解 析 及 びUVに よ る 解 析 か ら8の 生 成 を確 認 で き た こ と よ り,Aの 機 構 を 推 定 し た 。 EGC 2で は, LC/MS/MS及 びUVに よ り,中 間 体14を 確 認 した 。 また,SOD添 加 実 験 等 に よ り ス ー パ ー オ キ サ イ ド(O2)の 生 成 が 示 され た 。 EGCがECよ り抗 酸 化 能 が 低 い の は,こ の 生 成 す る 活 性 酸 素 に よ り抗 酸 化 作 用 が 相 殺 され る もの と 考 え ら れ る 。 同 様 の 実 験 に よ り,ECG, EGCGの 抗 酸 化 の 作 用 機 構 もC,Dの よ う に 推 定 した 。 A B Fig. 5

(6)

C

D

ま た,カ テ キ ン の2量 体 で あ るprocyanidin B-1を1 ,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl(DPPH)の

ラ ジ カ ル と 共 存 さ せ る とprocyanidin A-1が 生 成 す る こ と を 見 い だ し た7)(Fig .7)。 こ れ は, カ テ キ ン のc-2位 の 水 素 が ラ ジ カ ル に よ り 引 き 抜 か れ る ,直 接 的 な 証 拠 と 考 え ら れ る 。

(7)

procyanidin B-1 (PB-1) procyanidin A-1 (PA-1) こ の よ う に,カ テ キ ン類 の 抗 酸 化 作 用 は,酸 素 原 子 と 結 合 し て い る ベ ン ジ ル位 炭 素 か ら の 水 素 ラ ジ カ ル の 引 き抜 き が 重 要 な 役 割 を し て い る こ と示 し た 。 カ テ キ ン以 外 の 抗 酸 化 物 質 で も こ れ と 同 じ炭 素 を 有 して い る もの が あ り,そ の 抗 酸 化 の メ カニ ズ ム との 関係 に興味 が持 た れ る(Fig.8)。 sesaminol theaflavin 謝 辞 本 研 究 の 一 部 は,厚 生 省 特 別 研 究 「生 物 シ ス テ ム に作 用 す る 化 学 物 質 の 機 能 と 三 次 元 構 造 相 関 の 解 明 」 に よ っ て 行 っ た.

参考文献

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Brown, J. P. A. Mutat. Res., 75, 243-277(1980).

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Wright, J. S., Carpenter, D. J., McKay, D. J., Ingold, K . U.: J. Am. Chem. Soc., 119,

Fig. 7

(8)

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Kondo, K., Kurihara, M., Miyata, N., Suzuki, T. and Toyoda, M.: Arch. Biochem. Biophys.,

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8)

Saint-Cricq de Gaulejac, N.., Provost, C. and Vivas, N.: J. Agric. Food Chem., 47, 425

(1999).

Antioxidation

Mechanisms

of Catechins:

A Computational

Study

Masaaki Kurihara1*, Kazunari Kondo2, Masatake Toyoda2 and Naoki Miyata1

1Division of Organic Chemistry and 2Division of Foods , National Institute of Health Sciences

(1-18-1 Kamiyoga, Setagaya-ku, Tokyo 158-8501, Japan)

Catechins are a group of polyphenolic compounds abundantly contained in green tea. It is well

known that catechins have multiple biological activities including anticarcinogenic and

antiinflammatory effects. These protective effects are due to their antioxidative activities by

scavenging free radicals. All C-H and O-H bond dissociation enthalpies (BDE's) in catechins

((-)-epicatechin, (-)-epigallocatechin, (-)-epicatechin gallate, (-)-epigallocatechin gallate) were

calculated by semiempirical molecular orbital method using SPARTAN program. The BDE's of

benzyl hydrogens (C-2 position in catechins) are found to be quite low. This result suggests that

abstraction of benzyl hydrogen is a crucial step for antioxidant activity. This is also supported

by the reported results of LC/MS/MS and spectrophotometric analysis of reaction intermediate

Table  1  Methods  of  calculations
Fig.  4  C-H  and  O-H  bond  dissociation  enthalpies  (BDE's)  in catechins.

参照

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