Study of antioxidant and synergistic action of selected phenols and polyphenols in model lipid-water systems

Autooksydacja lipidów jest łańcuchowym procesem wolnorodnikowym, który prowadzi do wielu patologicznych zjawisk w organizmach żywych, a także do psucia się żywności, kosmetyków i farmaceutyków. Wiele badań jak również środków finansowych zaangażowano w znalezienie optymalnego systemu obrony przed autooksydacją, dążąc do zminimalizowania jej dramatycznych skutków. Autooksydacji przeciwdziałają antyoksydanty - niskocząsteczkowe związki skuteczne nawet w bardzo niskim stężeniu w porównaniu do utlenianych lipidów. Naturalne i syntetyczne pochodne fenolu są znanymi i szeroko stosowanymi antyoksydantami interwentywnymi. Ostatnie dwadzieścia lat przyniosło nowe spojrzenie na związek struktury antyoksydantów z ich aktywnością oraz rolę mikrośrodowiska w mechanizmie działania antyoksydantów fenolowych. Mimo to, nadal istnieje wiele podstawowych, ale jeszcze słabo scharakteryzowanych czynników, które wpływają na ogólną podatność układu na wolnorodnikowe utlenianie, takich jak pH, temperatura, charakter powierzchni międzyfazowej lipid/woda (kropelki lub liposomy) oraz obecność ko-antyoksydantów. W tej pracy zbadano wpływ jonizacji i podziału międzyfazowego wybranych związków fenolowych na mechanizm ich antyoksydacyjnego działania oraz synergistyczne interakcje z analogami α-tokoferolu w modelowych układach wodno-lipidowych. Pierwsza część pracy obejmowała badanie kinetyki działania antyoksydacyjnego wybranych polifenoli w układach homogenicznych. Eksperymenty prowadzono w rozpuszczalnikach organicznych o różnej polarności i zdolności do jonizacji fenoli, uzyskując w ten sposób dane kinetyczne niezakłócone przez podział między fazy oraz wstępną ocenę aktywności antyoksydacyjnej. Istotnym krokiem było wyznaczenie stałych kwasowości fenoli (pKa) wraz z ich przypisaniem do poszczególnych grup hydroksylowych. Reaktywność związków fenolowych wobec modelowego rodnika 2,2-difenylo-1-pikrylhydrazylowego (dpph•) skorelowano z właściwościami rozpuszczalnika, co pozwoliło zasugerować możliwy mechanizm ich działania antyrodnikowego. Ta część projektu została również uzupełniona o badania elektrochemiczne właściwości redoks wybranych fenoli. Następnie zbadano kinetykę reakcji (poli)fenoli z lipidowymi rodnikami nadtlenowymi w układach micelarnych w szerokim zakresie pH. Wyniki wykazały znaczny wpływ deprotonacji określonych grup hydroksylowych na mechanizm działania związków fenolowych. Pomiar współczynników dystrybucji (log D) dla wszystkich związków pozwolił również na ocenę wpływu podziału pomiędzy fazę lipidową i wodną na aktywność antyoksydacyjną. Ostatnia część pracy dotyczyła synergistycznych oddziaływań między związkami fenolowymi i obejmowała badania dwuskładnikowych mieszanin (poli)fenoli z analogami α-tokoferolu w układach dwufazowych w szerokim zakresie pH. Rodzaj i wielkość oddziaływań zanalizowano w oparciu o mechanizmy indywidualnego działania i właściwości pary fenoli oraz pH układu. Zaproponowano mechanizmy synergizmu, antagonizmu i działania addytywnego.

Autoxidation of lipids is a free-radical chain process that leads to many pathological events in living organisms as well as to a deterioration of food, cosmetics and pharmaceuticals. Much scientific and economic effort is spent to find an optimal system of defence against autoxidation and minimise its dramatic consequences. The process can be suppressed by antioxidants - low molecular compounds effective even at very low concentration compared to the oxidised lipid. Natural and synthetic phenol derivatives are known and widely applied chain-breaking inhibitors of the autoxidation. The last twenty years have brought new insights into the structure-activity relationship as well as the role of the microenvironment in the mechanism of action of phenolic antioxidants. However, there are still many basic but yet not well recognised factors that affect the overall sensitivity of a system toward autoxidation like pH, temperature, nature of lipid/water interface (droplets or liposomes) and presence of co-antioxidants. This work examined the influence of ionisation and partition of phenolic compounds between phases on the mechanism of their antioxidant action and synergistic interactions with α-tocopherol analogues in model lipid-water systems. The first part of this work involved a study on the kinetics of antioxidant activity of selected polyphenols in homogeneous systems. The experiments were conducted in solvents of various polarity and ability to ionise phenols, thus, providing kinetic data free of interference from partitioning and initial assessment of the antioxidant activity. An essential step was the determination of phenols’ acidities (pKa) together with their assignment to particular hydroxy groups. The reactivity of phenolic compounds against 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl radical (dpph•) was correlated with the properties of a solvent, allowing to suggest a possible mechanism of their antiradical action. This part of the project was also supplemented with some electrochemical studies of redox properties of selected phenols. Subsequently, the kinetics of reaction of the (poly)phenols with lipid peroxyl radicals was investigated in a micellar system in a broad range of pH. The results demonstrated a profound impact of deprotonation of particular hydroxy groups on the mechanism of action of phenolic compounds. Measuring the distribution coefficients (log D) for all compounds allowed also to evaluate the effect of partition between lipid and water phases on the antioxidant activity. The final part of this thesis was focused on synergistic interactions between phenolic compounds and involved studies in a biphasic setup on binary mixtures of the (poly)phenols with α-tocopherol analogues in a broad range of pH. The type and magnitude of interactions were analysed in light of individual mechanisms of action and properties of combined phenols as well as pH of the system. The mechanisms of synergy, antagonism and additive action were proposed.