БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 3, с. 453-463

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

УДК 577.32:57.015.5

КОМПЛЕКСЫ ВКЛЮЧЕНИЯ КВЕРЦЕТИНА С β-ЦИКЛОДЕКСТРИНАМИ:

УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ И ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ,

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Б. Палеч***, А. Степняк***, В.У. Буко****, И.Б. Заводник*

*Кафедра биохимии Гродненского государственного университета имени Янки Купалы

, 230030, Гродно, бульв. Ленинского Комсомола, 50, Беларусь

**Кафедра общей физики Гродненского государственного университета имени Янки Купалы,

230023, Гродно, ул. Ожешко, 22, Беларусь

***Химический факультет Университета г. Лодзь, ул. Поморска, 165, Лодзь, 90-236 Польша

****Институт биохимии биологически активных соединений НАН Беларуси,

230030, Гродно, бульв. Ленинского Комсомола, 50, Беларусь

E-mail: zavodnik_il@mail.ru

Поступила в редакцию 11.09.2019 г.

После доработки 24.02.2020 г.

Принята к публикации 04.03.2020 г.

С использованием методов ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии и квантово-химиче-

ского моделирования оценены параметры формирования супрамолекулярного комплекса включе-

ния флавоноида кверцетина и молекулярного контейнера гидроксипропил-β-циклодекстрина.

Растворимость кверцетина, включаемого в супрамолекулярный комплекс, возрастала более чем в

50 раз (в присутствии 16 мМ гидроксипропил-β-циклодекстрина), что указывает на повышение

биодоступности кверцетина. Рассчитанная по методу Хигучи-Коннорса константа ассоциации

комплекса кверцетин-гидроксипропил-β-циклодекстрин (1 : 1) равна 3275 ± 448 М^-1. Формирова-

ние комплекса включения приводит к существенному изменению колебательных спектров компо-

нентов по сравнению со спектром их физической смеси в результате изменения структуры компо-

нентов, в том числе за счет формирования водородных связей. Молекулярное моделирование ком-

плекса включения демонстрирует, что размещение молекулы кверцетина («гостя») во внутренней

полости молекулы β-циклодекстрина («хозяина») приводит к изменению геометрии и свойств ком-

понентов. Торсионный угол между кольцами планарной молекулы кверцетина равен 149.5° в ком-

плексе с β-циклодекстрином и 138.7° - в комплексе с гидроксипропил-β-циклодекстрином.

Ключевые слова: кверцетин, β-циклодекстрин, УФ- и ИК-спектроскопия, квантово-химическое моде-

лирование, константа ассоциации.

DOI: 10.31857/S0006302920030047

пищевой и фармацевтической промышленности,

Полифенолы, вторичные метаболиты высших

обладает противовоспалительной, антиаллерген-

растений, не синтезируемые в животных тканях,

ной, антиоксидантной и противоопухолевой ак-

демонстрируют многочисленные благоприятные

тивностями, высоким терапевтическим потенци-

эффекты как in vivo, так и in vitro. Одним из наи-

алом [3]. Предполагают, что антиоксидантные

более изученных полифенолов является флаво-

свойства растительных полифенолов обеспечива-

ноид кверцетин

(3,3',4',5,7-пентагидроксифла-

ют благоприятное протекание важнейших фи-

вон) (рис. 1а) - представитель семейства флаво-

зиологических процессов, определяют эффекты

нолов, обладающий

3-гидроксифлавоновым

этих компонентов диеты при сердечно-сосуди-

скелетом [1]. Кверцетин, один из компонентов

стых заболеваниях, старении, воспалительных

диеты человека, присутствует в значительных ко-

процессах [4].

личествах в цитрусовых, яблоках, луке, зеленом и

Фармакологическое применение кверцетина

черном чае и др. [2], повсеместно используется в

ограничено его плохой растворимостью в воде

Сокращения: CD - циклодекстрины, HP-β-CD - 2-гид-

(около 1 мкг/мл) [5] и низкой биодоступностью

роксипропил-β-циклодекстрин.

(усваивается только около 20% введенного квер-

453

454

ИЛЬИЧ и др.

(а)

(б)

HO HO

Рис. 1. Структурная формула кверцетина (а) и (2-гидроксипропил)-β-циклодекстрина (б).

цетина [6]). Для специфической и безопасной до-

связи с этим мы использовали модифицирован-

ставки лекарственных средств (биоактивных мо-

ный циклодекстрин (2-гидроксипропил)-β-цик-

лекул) к тканям и клеткам-мишеням, снижения

лодекстрин (HP-β-CD), который значительно

токсичности, повышения стабильности, предот-

менее токсичен и характеризуется высокой рас-

вращения деструкции разрабатываются и тести-

творимостью в воде (>0.45 мг/мл) [12]. Целью на-

руются разнообразные транспортные системы

стоящей работы было выяснить физико-химиче-

(пищевые и непищевые). В качестве одного из

ские параметры супрамолекулярного комплекса

наиболее перспективных пищевых инкапсулиру-

включения флавоноида кверцетина с β-цикло-

ющих полисахаридов в настоящее время рассмат-

декстринами, формируемого с целью повышения

риваются β-циклодекстрины, которые широко

биодоступности и фармакологической эффек-

используются при разработке способов направ-

тивности инкапсулируемого соединения, ис-

ленной доставки, создании функциональных

пользуя методы УФ- и ИК-спектроскопии и

продуктов питания, детоксикации организма [7].

квантово-химического моделирования.

Циклодекстрины (CD) представляют собой цик-

лические водорастворимые углеводы, состоящие

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

из 6, 7 или 8 единиц глюкопиранозы (α-, β- и

γ-циклодекстрины, соответственно) (рис.

1б).

В работе использовали кверцетин (Sigma-Al-

Использование циклодекстринов как молекуляр-

drich GmbH, Германия), β-циклодекстрин, гид-

ных контейнеров доставки биологически актив-

рокcипропил-β-циклодекстрин (CycloLab Ltd,

ных веществ направлено, в первую очередь, на

Венгрия), остальные реактивы соответствовали

увеличение биологической активности включае-

квалификации «х.ч.» («Реахим», Россия). Ком-

мых молекул, повышение биодоступности и

плекс включения кверцетин-HP-β-CD был полу-

функциональности. CD обладают гидрофобной

чен согласно методу, предложенному в работе

внутренней полостью и гидрофильной поверхно-

[13] - суспензированием кверцетина (50 мг) и

стью и способны формировать супрамолекуляр-

HP-β-CD (250 мг) в 96%-м этаноле (50 мл). Сус-

ные комплексы включения с разнообразными ор-

пензию перемешивали на магнитной мешалке в

ганическими соединениями по типу «гость-хозя-

течение 24 ч при 60 об/мин и 20°С. Для предот-

ин». Они широко используются в медицинской,

вращения реакции фотодеградации кверцетина

фармацевтической, пищевой промышленностях,

колбу закрывали алюминиевой фольгой. Физиче-

сельском хозяйстве и других областях. В литера-

скую смесь кверцетина и HP-β-CD готовили про-

туре широко представлены данные о механизмах

стым смешиванием в соотношении 1:1 в этаноле.

комплексообразования кверцетина и β-CD, сте-

После получения комплексов (или смеси) рас-

хиометрии, константах стабильности комплексов

творитель выпаривали при 60°С, используя ваку-

включения, физико-химических и биохимиче-

умный роторный испаритель []. Для приготовле-

ских свойствах [8-10]. В тоже время β-CD имеет

ния растворов использовали воду, которую очи-

ограниченную

растворимость

воде

щали с помощью системы Milli-Q (Millipore,

(0.0185 г/мл), проявляет нефротоксичность [11], в

США).

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

КОМПЛЕКСЫ ВКЛЮЧЕНИЯ КВЕРЦЕТИНА С β-ЦИКЛОДЕКСТРИНАМИ

455

электронные свойства. Были использованы полу-

0.45

эмпирический метод молекулярных орбиталей и

расчеты ab initio.

0.35

Преоптимизация структуры молекулы была

проведена методом молекулярной механики

ММ+ [15]. Полная оптимизация структуры про-

0.25

ведена в рамках модели Остина (Austin model 1,

AM1) (полуэмпирический метод с использовани-

у = 3940.2 + 0.0011

ем неограниченного формализма Хартри-Фока

0.15

R²

= 0.9994

(unrestricted Hartree-Fock, UHF, formalism) (ме-

тод самосогласованного поля). Электронную

структуру систем рассчитывали, используя неэм-

0.05

пирический метод ab initio. Расчеты проводили,

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

используя пакет HyperChem 8.0 и базис 6-31G.

[Кверцетин], ммоль/л

Статистический анализ проводили с исполь-

зованием пакета программ Statistica 6.0. Досто-

Рис. 2. Зависимость оптической плотности водного

верность различий оценивали при помощи непа-

раствора кверцетина от его концентрации.

раметрического критерия Колмогорова-Смир-

нова.

Исследование фазовой растворимости поли-

фенолов в суспензии циклодекстринов проводи-

РЕЗУЛЬТАТЫ

ли по методу, описанному в работе [14]. Одинако-

вое количество полифенола добавляли к водному

Оценка параметров комплексообразования

раствору, содержащему β-СD или HP-β-CD в

кверцетина и β-циклодекстринов методом УФ-

диапазоне концентраций 0-16 мМ, рН 6.8; Т =

спектроскопии. На начальном этапе оценки пара-

метров комплексообразования кверцетина и цик-

298 К. Образцы инкубировали в темноте при ком-

натной температуре в течение 72 ч для достиже-

лодекстринов мы определили молярный коэф-

ния равновесия, фильтровали через бумажный

фициент экстинкции (ε) кверцетина в водном

фильтр, затем фильтрат центрифугировали при

растворе (рис. 2), измеряя зависимость оптиче-

13500 g в течение 10 мин при комнатной темпера-

ской плотности водных растворов кверцетина от

туре. Количество растворенного полифенола

его концентрации (0 - 1 ⋅ 10^-4 моль/л) при λ_max =

определяли спектрофотометрически, используя

377 нм. Зависимость, представленная на рис. 2,

ранее построенную калибровочную кривую.

описывается уравнением y = 3940x + 0.0011 (R² =

Константу ассоциации (K_s) комплекса включе-

0.999), что соответствует молярному коэффици-

ния рассчитывали по следующей формуле:

енту экстинкции флавоноида ε = 3940 М^-1см^-1

slope

при λ_max = 377 нм.

(1)

(1-

slope)

Далее мы оценили растворимость кверцетина

в присутствии различных концентраций β-СD

где S⁰ - растворимость кверцетина в отсутствие

(0-16 мМ) (рис. 3) и его модифицированной фор-

циклодекстрина при 25°C, slope - угол наклона

мы HP-β-CD (0-16 мМ) (рис. 4). Зависимость

фазовой диаграммы растворимости, представля-

концентрации растворенного лиганда (кверцети-

ющей зависимость концентрации кверцетина от

на) от концентрации внесенного циклодекстрина

концентрации HP-β-CD или β-CD.

(фазовая диаграмма растворимости) описывается

Инфракрасные спектры образцов (кверцетин,

линейным уравнением у = 0.0002x ± 8 ⋅ 10^-7 (R² =

HP-β-CD, комплекс включения

«кверцетин-

HP-β-CD», физическая смесь компонентов) ре-

0.9931) в случае β-CD (рис. 3) и у = 0.008x ± 7 ⋅ 10^-7

гистрировали в диапазоне волновых чисел 4000-

(R² = 0.9928) в случае HP-β-CD (рис. 4).

400 см^-1 с разрешением 0.5 см^-1в порошкообраз-

Растворимость кверцетина увеличивалась бо-

ном состоянии с помощью ИК-Фурье-спектро-

лее чем в 5 раз в случае β-СD (16 мМ) (рис. 3) и бо-

метра Nicolet iS10 (Thermo Fisher Scientific,

лее чем в 50 раз (рис. 4) в случае HP-β-CD

США), используя алмазную призму нарушенного

(16 мМ). Диаграмма фазовой растворимости

полного внутреннего отражения.

кверцетина в соответствии с концепцией авторов

Теоретические расчеты: в настоящей работе

работы

[14] может быть классифицирована

для оценки геометрии комплекса и возможных

как диаграмма A_L-типа, что предполагает возрас-

механизмов его формирования мы теоретически

тание растворимости лиганда в результате об-

рассмотрели структуры молекул кверцетина и

разования комплекса включения 1:1. Рассчитан-

комплекса

«кверцетин-β-циклодекстрин», их

ные нами с помощью метода, предложенного в

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

456

ИЛЬИЧ и др.

(а)

(б)

0.0000050

0.085

мМ -CD

0.0000045

4 мМ -CD

0.0000040

0.075

8 мМ -CD

0.0000035

12 мМ

-CD

0.0000030

0.065

16 мМ

-CD

0.0000025

0.0000020

0.055

0.0000015

у = 0.0002 + 8E 07

0.0000010

0.045

R²

= 0.9931

0.0000005

0.0000000

0.035

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

300

350

400

450

500

[ -CD], моль/л

, нм

Рис. 3. Зависимости растворимости кверцетина от концентрации β-CD: (а) - диаграмма фазовой растворимости квер-

цетина в водных растворах β-CD; (б) - спектры поглощения при 298 K в диапазоне 300-500 нм кверцетина, инкуби-

руемого в отсутствие (1) и в присутствии (2-5) β-CD (0-16 мМ).

работе [14], константы ассоциации K_s равны в

тельно более высокой константой устойчивости

комплекса включения с кверцетином по сравне-

случае β-СD 301 ± 47 М^-1 и в случае HP-β-CD -

нию с немодифицированным β-CD.

3275 ± 448 М^-1.

Колебательные спектры свободного кверцети-

ИК-спектроскопия комплекса включения квер-

на исследованы рядом авторов [16-22], которые

цетина и HP-β-CD. Формирование комплекса

провели отнесение основных колебательных по-

включения может быть подтверждено характер-

лос спектра. Так широкая полоса в спектре квер-

ными изменениями колебательных спектров

цетина с максимумами 3315 и 3399 см^-1 соответ-

кверцетина и НР-β-CD, которые мы регистриро-

ствует валентным колебаниям (O-Н) групп, ко-

вали методом Фурье-ИК-спектроскопии.

торые, вероятно, участвуют в формировании

меж- и внутримолекулярных водородных связей

На рис. 5 представлены ИК-спектры кверце-

[16-23]. Авторы работ [16, 17], основываясь на

тина, HP-β-CD и комплекса включения «кверце-

тин-HP-β-CD». HP-β-CD был выбран нами в ка-

данных ИК- и ЯМР- спектроскопии, отнесли по-

честве объекта исследования в связи со значи- лосу средней интенсивности при 1664 см^-1 к ва-

(а)

(б)

0.00016

0.7

мМ -CD

0.00014

0.6

4 мМ -CD

0.00012

8 мМ -CD

0.5

12 мМ

-CD

0.00010

0.4

16 мМ

-CD

0.00008

0.3

0.00006

0.2

0.00004

у = 0.008x

7E 07

R²

= 0.9928

0.1

0.00002

0.00000

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

300

350

400

450

500

550

[ -CD], моль/л

, нм

Рис. 4. Зависимости растворимости кверцетина от концентрации HP-β-CD: (а) - диаграмма фазовой растворимости

кверцетина в водном растворе HP-β-CD; (б) - спектры поглощения при 298 K в диапазоне 300-550 нм кверцетина,

инкубируемого в отсутствие (1) и в присутствии (2-5) HP-β-CD (0-16 мМ).

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

КОМПЛЕКСЫ ВКЛЮЧЕНИЯ КВЕРЦЕТИНА С β-ЦИКЛОДЕКСТРИНАМИ

457

(а)

(б)

600

1000

1200

1400

1600

2600

2800

3000

3200

3400

3600

Волновое число, см¹

Рис. 5. ИК-Фурье-спектры кверцетина (1); HP-β-CD (2) и комплекса «кверцетин-HP-β-CD» (3) в низкочастотной (а)

и высокочастотной (б) области.

лентным С=О колебаниям растяжения негидра-

которую ряд авторов относит к валентным коле-

тированной формы кверцетина. Аналогичное от-

баниям группы -С-О-С-, и полосу 1168 см^-1,

несение данной полосы выполнено также рядом

связанную с деформационным колебаниями С-

других авторов [17, 20-22]. Интенсивную полосу

ОН-связи [17-19, 23].

при 1611 см^-1 авторы работ [16-18, 20-23] соот-

носят с колебаниями C=С-групп ароматических

Как видно из рис. 6, колебательный спектр

колец молекулы, коньюгированных с карбониль-

физической смеси представляет собой суперпо-

ной группой (С=О). Авторы работы [21] предпо-

зицию индивидуальных спектров компонентов. В

колебательном спектре комплекса сохраняются

лагают, что интенсивная полоса 1520 см^-1, веро-

основные полосы, характерные для кверцетина и

ятнее всего, также соответствует колебаниям

НР-β-CD (рис. 5 и 6). Изменения в спектральных

C=С-групп ароматических колец кверцетина.

областях колебаний функциональных групп поз-

Ряд авторов полагает, что колебательная поло-

воляют проследить структурные изменения квер-

са при 1381 см^-1 образована плоскостными ва-

цетина и образование новых связей при включе-

лентными С-ОН-колебаниями в молекуле квер-

нии в комплекс с HP-β-CD. В комплексе включе-

цетина [17-23]. Отметим также полосу 1264 см^-1,

ния полоса кверцетина при 1664 см^-1 смещается

(а)

(б)

1264

1000

1500

2000

2500

3000

3500

900

1000

1100

1200

1300

1400

Волновое число, см¹

Рис. 6. ИК-Фурье-спектры физической смеси кверцетина и HP-β-CD (сплошная линия) и комплекса включения

«кверцетин-HP-β-CD» (прерывистая линия).

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

458

ИЛЬИЧ и др.

НО

Рис. 7. Оптимизированная структура комплекса «кверцетин-β-CD». Показаны водородные связи, образуемые в

комплексе.

в низкочастотную область на ~10 см^-1 (1654 см^-1)

полосы кверцетина в области 3300-3400 см^-1 ис-

за счет образования водородных связей с О-Н-

чезает. Спектральные изменения, очевидно, яв-

группами в молекуле HP-β-CD, еще больший

ляются результатом взаимодействия функцио-

нальных групп НР-β-CD и кверцетина и струк-

низкочастотный сдвиг (~13 см^-1) претерпевают

турных изменений молекул при формировании

полосы валентных С=С-колебаний. В колеба-

комплекса.

тельном спектре комплекса полоса 1264 см^-1

практически не проявляется, что может быть

Структура и электронные свойства молекул

следствием изменения геометрии молекулы при

кверцетина, β-циклодекстрина, гидроксипропил-β-

встраивании кверцетина в полость HP-β-CD. Ко-

циклодекстрина и их комплексов включения. Мы

рассчитали некоторые молекулярные параметры

лебательная полоса при

1381 см^-1 (рис.

кверцетина, β-циклодекстрина, гидроксипро-

испытывает значительный низкочастотный сдвиг

пил-β-циклодекстрина, их комплексов включе-

(~12 см^-1), что также указывает на образование

ния и кверцетина после удаления из комплексов,

комплекса включения (рис. 5).

используя полуэмпирическую теорию молеку-

Включение молекулы кверцетина в полость

лярных орбиталей [15]. Полученная нами опти-

НР-β-CD приводит к изменению ИК-спектра в

мизированная структура (метод AM1) комплекса

высокочастотной области (3000-3600 см^-1): коле-

включения «кверцетин-β-циклодекстрин» пред-

бательные полосы OH-групп испытывают допол-

ставлена на рис. 7. Молекула кверцетина компле-

нительное уширение, колебательная структура

ментарна внутренней полости молекул β-цикло-

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

КОМПЛЕКСЫ ВКЛЮЧЕНИЯ КВЕРЦЕТИНА С β-ЦИКЛОДЕКСТРИНАМИ

459

декстринов. При включении наблюдаем опреде-

При этом несколько изменяются параметры, ха-

ленную «подгонку» структур молекул кверцетина

рактеризующие сродство кверцетина к электрону

и циклодекстринов. Так, оцененный нами ли-

и потенциал ионизации (параметры HOMO,

нейный размер внутренней полости молекулы

LUMO), уменьшается стабильность молекулы

β-CD равен 5.5 Å, молекулы НР-β-CD - 8.3 Å,

кверцетина (незначительно уменьшается теплота

линейные размеры полости увеличиваются после

образования, изменяется дипольный момент мо-

включения кверцетина. Молекула кверцетина

лекулы) (см. таблицу). Стабилизация комплекса

практически планарна, оптимизация геометрии

происходит за счет образования нескольких меж-

молекулы демонстрирует, что торсионный угол

молекулярных водородных связей (рис. 7), что

между кольцами AC и B равен 180°, внутри поло-

регистрирует метод ИК-спектроскопии и демон-

сти молекулы хозяина происходит «скручивание»

стрирует квантово-химический расчет. Нами об-

молекулы кверцетина, торсионный угол между

наружены различия в геометрии молекулы квер-

кольцами становится равен 149.5° в случае β-CD

цетина во внутренней полости HP-β-CD и β-CD.

и 138.7° - в случае НР-β-CD. Данные представле-

Согласно нашей оценке размер внутренней поло-

ны в таблице. Дипольный момент кверцетина,

сти комплекса «кверцетин-HP-β-CD» превыша-

рассчитанный нами методом АМ1, равен μ =

ет размер полости комплекса

«кверцетин-β-

3.01 Дебая, что отражает достаточно высокую по-

CD»). Известно, что гидрофобные взаимодей-

лярность молекулы. После включения в ком-

ствия играют определяющую роль в формирова-

плекс с β-CD молекула кверцетина становится

нии комплекса включения с β-циклодекстрина-

еще более полярна, а в комплексе с НР-β-CD -

ми. При этом энтропийный (за счет удаления из

менее полярна (см. таблицу). Ранее авторы рабо-

гидрофобной полости циклодекстринов и реор-

ты [15] получили значения дипольного момента μ

ганизация молекул воды) и энтальпийный (за

кверцетина и семихинон-радикала кверцетина

счет прямого взаимодействия молекул «гостя» и

(локализованного в положении C4′ кольца B), со-

«хозяина», в том числе за счет формирования во-

ставляющие 3.013 и 4.963 Дебая соответственно.

дородных связей) эффекты вносят вклад в спон-

Одновременно происходит увеличение площади

танный процесс формирования комплекса [25].

поверхности и объема молекулы кверцетина при

Представленные нами ИК-Фурье-спектры

встраивании в полость молекулы β-CD (см. таб-

кверцетина соответствуют полученным ранее

лицу).

[16-22]. Колебательные спектры молекулы фла-

воноида можно представить как результат слабо-

го сопряжения бензопиранового (хромонового) и

ДИСКУССИЯ

фенильного колец молекулы, при этом полагают,

В настоящей работе мы рассмотрели стехио-

что полосы в области 1600 см^-1 не могут быть от-

метрию, константы ассоциации, геометрию, мо-

несены к колебаниям С=О-группы. Колебания

лекулярные свойства и спектральные параметры

гидроксильных групп сопряжены с колебаниями

комплексов включения кверцетин-β-CD и квер-

колец флавоноида [26]. Формирование комплек-

цетин-HP-β-CD, получаемых методом длитель-

са включения кверцетина и HP-β-CD приводит к

ного перемешивания в растворе и со-выпарива-

существенным изменениям колебательных спек-

ния. Ранее нами было пpоведено cpавнение анти-

тров компонентов по сравнению со спектром фи-

оксидантной и регуляторной активноcти

зической смеси. Изменения интенсивности и ча-

квеpцетина и комплекcа его включения c

стот колебаний функциональных групп компо-

гидpокcипpопил-β-циклодекcтpином, pаccчита-

нентов позволяют проследить структурные

на оптимальная cтpуктуpа молекул квеpцетина и

изменения кверцетина и образование новых свя-

его окиcленныx фоpм, иx молекуляpные и

зей в комплексе включения. Вероятно, карбо-

электpонные cвойcтва, определены реакционные

нильная группа кверцетина участвует в формиро-

центры молекулы и наиболее стабильные продук-

вании водородных связей с молекулой HP-β-CD.

ты [24]. В настоящей работе методами квантовой

Включение кверцетина в супрамолекулярный

химии мы показали, что формирование комплек-

комплекс сопровождается длинноволновым

са включения изменяет геометрию молекул «го-

сдвигом его УФ-спектра поглощения, вероятно,

стя» и «хозяина», увеличивает размеры внутрен-

за счет разрушения ассоциатов молекул кверце-

ней полости β-CD и НР-β-CD, расположение ко-

тина при включении в комплекс (рис. 3 и 4). При

лец в молекуле кверцетина и ее полярность.

этом, вероятно, не все группировки кверцетина

Полярность молекулы кверцетина определяется,

погружены в полость циклодекстринов. Поляр-

во-многом, расположением гидроксильных

ность молекулы кверцетина и его конформация

групп, которое, вероятно, различно в комплексе

различны в полости двух циклодекстринов.

«кверцетин-НР-β-CD» и

«кверцетин-β-CD».

Оптимизированная структура комплекса «квер-

Обнаруженное нами значительное увеличение

цетин-β-CD» представлена на рис. 7, молекула

растворимости кверцетина, включаемого в су-

кверцетина размещается во внутренней полости.

прамолекулярный комплекс, по сравнению с на-

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

460

ИЛЬИЧ и др.

Рассчитанные молекулярные параметры кверцетина, β-циклодекстринов, комплексов «кверцетин-β-CD» и

«кверцетин-HP-β-CD», а также кверцетина в структуре комплекса

Комплекс

Кверцетин

Комплекс

Кверцетин

включения

в структуре

включения

в структуре

Кверцетин

β-CD

HP-β-CD

«кверцетин-

комплекса с

«кверцетин-

комплекса c

β-CD»

β-CD

HP-β-CD»

HP-β-CD

AM1

Общая энергия,

-99165.11

-405061.73

-504212.81

-99155.97

-532187.24

-631342.68

-99161.99

ккал/моль

Энергия

связывания,

-3717.94

-14512.35

-18216.26

-3708.80

-21064.15

-24772.42

-3714.82

ккал/моль

Теплота

образования,

-216.659

-1603.265

-1805.892

-207.522

-1961.187

-2168.171

-213.542

ккал/моль

E(HOMO), eV

-8.7458

-10.3033

-8.9054

-8.6285

-10.1299

-8.7635

-8.7788

E(LUMO), eV

-1.1319

1.2447

-1.0744

-0.7871

-11.4331

-7.3241

-7.74

ΔE = E(HOMO)-

-7.6138

-11.5480

-7.8309

-7.8414

-11.4331

-7.3241

-7.74

E(LUMO), eV

Дипольный

3.011

7.497

13.619

5.303

7.616

9.163

2.691

момент, D

QSAR properties

Объем, Å³

751.12

2337.23

2711.59

764.29

3397.81

3776.27

761.53

Масса, а.е.м

302.24

1135

1437.24

302.24

1541.56

1843.80

302.24

Преломляющая

75.43

226.89

290.48

72.33

335.12

413.76

75.43

способность

Поляризуемость

28.54

93.95

123.76

29.81

136.94

165.48

28.54

Энергия

гидратации,

-32.67

-62.3

-30.52

-60.10

-33.16

ккал/моль

Торсионный угол

180

149.5

138.7

(С3 С2 B1` B2`)

Примечание. Оптимизация cтpуктуpы пpоведена в pамкаx полуэмпиpичеcкого метода

AM1 (The Austin

Model 1) c

иcпользованием неогpаниченного метода Xаpтpи-Фока.

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

КОМПЛЕКСЫ ВКЛЮЧЕНИЯ КВЕРЦЕТИНА С β-ЦИКЛОДЕКСТРИНАМИ

461

тивным флавоноидом (растворимость возрастала

HP-β-СD можно объяснить вовлечением гидрок-

более чем в 5 раз в случае 16 мМ β-СD и более чем

сипропильных радикалов на поверхности моле-

в 50 раз - в случае 16 мМ HP-β-CD) указывает на

кулы HP-β-СD в формирование дополнительных

повышенную биодоступность. Наши данные со-

связей между кверцетином и циклодекстрином и

гласуются с данными работы [18], авторы которой

различиями в размерах внутренней полости β-СD

обнаружили повышение водорастворимости

и HP-β-СD. Ранее также было показано, что кон-

кверцетина в 4.6 раза при концентрации 18 мМ β-

станта связывания и растворимость кверцетина в

CD. Подобным же образом в работе [27] было

комплексе с β-циклодекстринами существенно

продемонстрировано, что формирование ком-

выше в случае HP-β-СD по сравнению с β-СD,

плекса

«кверцетин-метил-β-циклодекстрин»

возрастая с увеличением числа групп заместите-

увеличивает растворимость комплекса (в 254 ра-

лей, участвующих во взаимодействии с молеку-

за) и его антиоксидантную активность (на 10%).

лой кверцетина, и гидрофобности молекул цик-

лодекстринов [33].

Ранее разными авторами были описаны био-

химические и фармакологические эффекты

включения полифенолов в супрамолекулярные

ВЫВОДЫ

комплексы с циклодекстринами. В работе [28]

было показано, что комплекс включения кверце-

В настоящей работе мы рассмотрели стехио-

тин-HP-β-CD сохраняет параметры электрохи-

метрию, константы ассоциации и спектральные

мического окисления флавоноида и способность

параметры комплекса включения «кверцетин-

хелатировать ионы железа, что связано с высво-

HP-β-CD», получаемого методом перемешива-

бождением флавоноида из полости молекулы

ния в растворе и совыпаривания. Достоверное

«хозяина». Авторы работы [29] продемонстриро-

знание структуры, физико-химических парамет-

вали, что комплексирование кверцетина с β-CD

ров и биохимических эффектов платформ-носи-

(и лецитином) существенно улучшает водорас-

творимость флавоноида (растворимость кверце-

телей (β-CD) и их комплексов включения - необ-

тина в воде в комплексе с β-CD возрастала в 24.9

ходимое условие успешного конструирования

раза) и его антиоксидантную активность и ради-

эффективных и безопасных переносчиков лекар-

кал-скевенжерные свойства.

ственных средств. Кверцетин образует комплекс

включения по типу «гость-хозяин» с β-цикло-

Оцененная нами методом, описанным в работе

декстринами в молярном соотношении 1 : 1.

[14], константа ассоциации комплекса включения

Образование комплекса сопровождается увели-

«кверцетин-β-СD» (1:1) равна K_s = 301 ± 47 М^-1,

чением растворимости кверцетина с ростом кон-

что свидетельствует об относительно слабом взаи-

центрации циклодекстрина (растворимость воз-

модействии между молекулами. Полученное нами

растала более чем в 5 раз в случае β-СD и более

значение кажущейся константы стабильности ком-

чем в 50 раз - в случае HP-β-CD), что указывает

плекса «кверцетин-β-CD» соответствует значени-

на повышенную биодоступность кверцетина в

ям, полученным ранее: авторы работ [30-32] проде-

структуре комплекса. Оцененная нами методом

монстрировали следующие значения: K_s = 129 М^-1,

построения фазовых диаграмм растворимости

396 М^-1 и 402 М^-1 соответственно. С другой сторо-

константа ассоциации комплекса с HP-β-CD

ны, оно значительно ниже значений, представлен-

равна 3275 ± 448 М^-1, что свидетельствует о высо-

ных в работах [33-35] и составляющих K_s = 602 М^-1,

ком сродстве внутренней полости молекулы HP-

709 М^-1 и 1028 М^-1 соответственно. Эти различия

β-CD к кверцетину. В ИК-Фурье-спектре квер-

могут отражать влияние ионизации молекулы квер-

цетина можно выделить полосы с максимумами

цетина при различных рН среды. Ионизированная

3315 и 3399 см^-1 (валентные колебания O-Н-

форма кверцетина обычно формирует менее ста-

групп), полосу средней интенсивности 1664 см^-1

бильные комплексы, чем неионизированная форма.

(валентные колебания свободной кетонной груп-

Это объясняется повышенной гидрофильностью

вещества при ионизации, что снижает взаимодей-

пы С=О) и полосу 1381 см^-1 (С-ОН-колебания).

ствие между флавоноидом и гидрофобной полостью

Изменения интенсивности и частот колебаний

циклодекстрина (например, гидрофобные и ван-

функциональных групп компонентов при вклю-

дер-ваальсовы взаимодействия).

чении в комплекс свидетельствует о структурных

Константа ассоциации комплекса значитель-

изменениях кверцетина и образовании водород-

но возрастает в случае HP-β-CD и равна

ных связей, в которые вовлекаются карбонильная

3275 ± 448 М^-1. Известно, что размер внутренней

и гидроксильные группы молекул кверцетина и

полости в молекуле HP-β-СD превышает размер

циклодекстринов. Квантово-химическое моде-

полости в молекуле β-СD. Различия в значении

лирование комплекса включения демонстрирует

констант комплексообразования в случае β-СD и

размещение молекулы кверцетина во внутренней

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

462

ИЛЬИЧ и др.

полости β-циклодекстринов, участие определен-

13. I. M. Savic, V. D. Nikolic, I. Savic-Gajic, et al., J. In-

ных группировок кверцетина и β-циклодекстри-

clusion Phenom. Macrocyclic Chem. 82, 383 (2015).

нов в формировании комплекса, что приводит к

14. T. Higuchi and K. A. Connors, Adv. Anal. Chem. Instr.

изменению геометрии («скручиванию») и моле-

4 (2), 117 (1965).

кулярных свойств (дипольный момент, теплота

15. S. Erkoc, F. Erkoc, and N. Keskin, J. Mol. Struct.

образования) кверцетина, увеличению размеров

(Theochem.) 631, 141 (2003).

полости, формированию водородных связей. По-

16. S. B. Bukhari, S. Memon, M. Mahroof-Tahir, and

лученные результаты свидетельствуют о большем

M. I. Bhanger, Spectrochim. Acta Part A: Mol. Bio-

размере внутренней полости молекулы HP-β-CD

mol. Spectrosc. 71 (5), 1901 (2009).

по сравнению β-CD, определенных различиях в

17. A. M. Mendoza-Wilson, H. Santacruz-Ortega, and

геометрии и молекулярных свойствах молекулы

R. R. Balandrán-Quintana, Spectrochim. Acta. Part A:

кверцетина во внутренней полости HP-β-CD и β-

Mol. Biomol. Spectrosc. 81 (1), 481 (2011).

CD, о формировании дополнительных связей,

18. G. S. Borghetti, I. S. Lula, R. D. Sinisterra, and

что объясняет значительно большее сродство

V. L. Bassani, AAPS Pharm. Sci. Tech. 10 (1), 235

кверцетина в случае HP-β-CD.

(2009).

19. J. Zhou, L.-F. Wang, J. Y. Wang, and N. Tang, J. Inorg.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Biochem. 83 (1), 41 (2001).

20. K. Dias, S. Nikolaou, and W. F. De Giovani, Spectro-

Автор заявляет об отсутствии конфликта инте-

chim. Acta Part A: Mol. Biomol. Spectrosc. 70, 154

ресов.

(2008).

21. M. Heneczkowski, M. Kopach, D. Nowak, and

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

A. Kuzniar, Acta Polon. Pharmaceut. - Drug Res. 58

(6), 415 (2001).

Настоящая работа не содержит описания ка-

ких-либо исследований с использованием людей

22. R. F. V. Souza and W. F. Giovani, Spectrochim. Acta

и животных в качестве объектов.

Part A: Mol. Biomol. Spectrosc. 61, 1985 (2005).

23. Э. Преч, Ф. Бюльманн и К. Аффольтер.

Определение строения органических соединений

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

(БИНОМ, М., 2006).

1. G. D'Andrea, Fitoterapia 106, 265 (2015).

24. Т. В. Ильич, А. Г. Вейко, Е. А. Лапшина и

2. D. Del Rio, A. Rodriguez-Mateos, J. P. E. Spencer,

И. Б. Заводник, Биофизика 63 (4), 690 (2018).

et al., Antioxidants & Redox Signaling 18 (14), 1818

25. S. Belica, D. Jeziorska, P. Urbaniak, et al., J. Chem.

(2013).

Thermodynamics 70, 160 (2014).

3. M. T. Mercader-Ros, C. Lucas-Abellán, M. I. Fortea,

26. G. Baranović and S. Šegota, Spectrochim. Acta Part A:

et al., in Quercetin: Dietary sources, functions and health

Mol. Biomol. Spectrosc. 192, 473 (2018).

benefits (Nova Science Pub Inc., 2012), pp. 179-198.

27. K. Güleç and M. Demirel, Curr. Drug Deliv. 13 (3),

4. C. A. Rice-Evans, N. J. Miller, and G. Paganga, Free

444 (2016).

Radic. Biol. Med. 20, 933 (1996).

28. F. D’Aria, C. Serri, M. Niccoli, et al., J. Therm. Anal.

5. X. Cai, Z. Fang, J. Dou, et al., Curr. Med. Chem. 20,

Calorim. 130 (1), 451 (2017).

2572 (2013).

29. Y. Zhang, J. Yu, X.-D. Dong, and H.-Y. Ji, Molecules

6. X. Chen, O. Q. Yin, Z. Zuo, and M. S. Chow, Pharm.

23, 20 (2018).

Res. 22, 892 (2005).

7. M. E. Davis and M. E. Brewster, Nat. Rev. Drug Dis-

30. M. L. Calabrò, S. Tommasini, P. Donato, et al., J.

cov. 3, 1023 (2004).

Pharm. Biomed. Anal. 35, 365 (2004).

8. Z. Aytac, S. I. Kusku, E. Durgun, and T. Uyar, Food

31. M. C. Bergonzi, A. R. Bilia, L. Di Bari, et al., Bioorg.

Chem. 197, 864 (2016).

Med. Chem. Let. 17, 5744 (2007).

9. M. Liu, L. Dong, A. Chen, et al., Spectrochim. Acta

32. T. Pralhad and K. Rajendrakumar, J. Pharm. Biomed.

Part A: Mol. Biomol. Spectrosc. 115, 854 (2013).

Anal. 34, 333 (2004).

10. G. S. Borghetti, I. S. Lula, R. D. Sinisterra, and

33. C. Jullian, L. Moyano, C. Yañez, and C. Olea-Azar,

V. L. Bassani, AAPS Pharm. Sci. Tech. 10 (1), 235

Spectr. Acta Part A: Mol. Biomol. Spectrosc. 67, 230

(2009).

(2007).

11. D. W. Frank, J. E. Gray, and R. N. Weaver, Am. J.

34. E. R. C. Vinadé and P. R. Petrovick, Rev. Port. Farm.

Pathol. 83 (2), 367 (1976).

XLVIII, 149 (1998).

12. S. Gould and R. C. Scott, Food Chem. Toxicol. 43,

35. Y. Zheng, I. S. Haworth, Z. Zuo, et al., J. Pharm. Sci.

1451 (2005).

94, 1079 (2005).

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

КОМПЛЕКСЫ ВКЛЮЧЕНИЯ КВЕРЦЕТИНА С β-ЦИКЛОДЕКСТРИНАМИ

463

Inclusion Complexes of Quercetin with β-Cyclodextrins: Ultraviolet and Infrared

Spectroscopy, Quantum-Chemical Modeling

T.V. Ilyich*, E.A. Lapshina*, A.A. Maskevich**, A.G. Veiko*, A.V. Lavysh**, B. Palecz***,

A. Stępniak***, V.U. Buko****, and I.B. Zavodnik*

*Department of Biochemistry, Yanka Kupala State University of Grodno,

bul. Leninskogo Komsomola 50, Grodno, 230030 Belarus

**Department of General Physics, Yanka Kupala State University of Grodno, ul. Ozheshko 22, Grodno, 230023 Belarus

***Faculty of Chemistry, University of Lodz, ul. Pomorska 165, Lodz, 90-236 Poland

****Institute of Biochemistry of Biologically Active Compounds, National Academy of Sciences of Belarus,

bul. Leninskogo Komsomola 50, Grodno, 230030 Belarus

The aim of the present study was to evaluate the parameters of formation of supramolecular inclusion com-

plex between quercetin, the flavonoid, and hydroxypropyl-β-cyclodextrin, the molecular container, using ul-

traviolet and infrared spectroscopy and quantum-chemical modeling. The water solubility of quercetin in-

creased by more than 50 times when included in the supramolecular complex with the concentration of hy-

droxypropyl-β-cyclodextrin 16 mM. The results showed that quercetin bioavailability was improved after

encapsulating by hydroxypropyl-β-cyclodextrin. The association constant for the inclusion complex with a

1 : 1 mixture of quercetin and hydroxypropyl-β-cyclodextrin determined by Higuchi and Connors method

was equal to 3275 ± 448 М^-1. The formation of the inclusion complex results in considerable changes in the

vibrational spectra of components compared to the spectrum of physical mixture of quercetin and hydroxy-

propyl-β-cyclodextrin; this also happens because of hydrogen bond formation. The molecular modeling of

the inclusion complex has shown that after encapsulation of quercetin molecule (“guest”) inside the cavity of

β-cyclodextrins (“host”), the geometry and properties of the components change. The torsion angle between

the rings of the planar quercetin molecule in the complexes with β-cyclodextrin and hydroxypropyl-β-cyclo-

dextrin is equal to 149.5° and 138.7°, respectively.

Keywords: quercetin, β-cyclodextrin, UV- and IR spectroscopy, quantum chemical modeling, association constant

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020