Παραλαβή δευτερογενών μεταβολιτών από το άνθος του φυτού crocus sativus L. και μελέτη της αντιοξειδωτικής τους δράσης και των συμπλόκων αυτών με DNA, tRNA και human serum albumin (HSA)

Abstract

Crocus sativus L. is the plant from which the famous spice saffron is produced by the dehydration of its stigmas. The botanical characteristics, the agricultural practices, the dehydration process of the stigmas, the financial importance of saffron and the chemical composition of the stigmas and the petal are described in Chapter 1. Information for the procedures used to isolate plant's secondary metabolites is given in Chapter 2. The use of ultrasound is described in details. Chapter 3 provides information about free radicals, oxidation of lipids and the methods used to evaluate the antioxidant activity of several substances. The 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl, DPPH' antioxidant activity method is described thoroughly. In Chapter 4 are described the biomolecules DNA, tRNA and Human Serum Albumin (HSA) while in Chapters 5 are described the spectroscopic techniques (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Fourier Transform Raman Spectroscopy) and the application of Ultraviolet-Visible spectroscopy in the calculation of the binding constants. Flavonoids (flavonols and anthocyanes) were isolated from the petals of Crocus sativus L. flower. The study of the isolated flavonoids revealed that kaempferol, quercetin, myrisetin and delphinidin are present in the petals (Chapters 6 and 7). Except from the qualitative analysis, a quantitative analysis using Ultraviolet-visible spectroscopy and High Performance Liquid Chromatography of the isolated flavonoids, took place. The quantification showed that the amount of the anthocyans is double than the amount of flavonols. After that it was studied the isolation of the essential oil of the stigmas dried by the traditional Greek way and by freeze-drying. The stigmas were of several harvesting periods. The essential oil was obtained by Microsimultaneous hydrodistillation-extraction (MSDE), hydrodistillation and ultrasound assisted extraction (USE). The qualitative determination of the isolated volatiles was performed by Gas Chromatography-Mass Spectrometry. The analysis showed the differences between the chemical composition of the volatiles obtained by MSDE and USE. Five new compounds, which are belong to C13-norisoprenoids, were identified for the first time. Except from the qualitative determination a quantitative evaluation of safranal and 4-hydroxy-2,6,6-trimethyl-1-cyclohexene-1-carboxaldehyde took place by the use of Gas Chromatography equipped with a Flame Ionization Detector. It was found that the isolated volatiles are rich in safranal and the quantity of safranal tends to increase as the stigmas getting older (Chapter 8). In Chapter 9 the isolation of the essential oil was obtained by hydrodistillation and the qualitative evaluation of safranal took place by the use of Fourier Transform Raman Spectroscopy (FT-Raman). The results were compared with those derived from Gas Chromatography. It was found out that FT-Raman spectroscopy can be used for the qualitative evaluation of safranal. Chapter 10 describes the isolation of crocins from the dried stigmas as well as the preparation of crocetin and dimethylcrocetin. The purity and identification of these compounds was done by High Performance Liquid Chromatography and Fourier Transform Infrared Spectroscopy and the results are in total agreement with those reported in the literature. In Chapter 11 the antioxidant activity of the essential oil obtained by hydrodistillation and by ultrasound assisted extraction as well as the antioxidant activity of crocins, crocetin and dimethylcrocetin, was evaluated by the 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl, DPPH' antioxidant activity method. Crocins and their derivatives (crocetin and dimethylcrocetin) showed higher antioxidant activity than that of the essential oil. The antioxidant activity of crocetin has a special interest due to the fact that orally administered crocins are hydrolyzed to crocetin before or during intestinal absorption while dimethycrocetin is prepared only in vitro and can be used as an alternative antioxidant. Finally in Chapters 12-14 and 15-17 it was studied the binding of flavonoids and stigmas' constituents (safranal, crocetin and dimethylcrocetin) with DNA, tRNA and HSA. Especially it was studied the ligands' binding mode, the binding constants and the effect of ligands complexation on the stability and conformation of these biomolecules.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αρχικά (Κεφ. 1), αναφέρονται τα βοτανολογικά χαρακτηριστικά του φυτού Crocus sativus L. (Κρόκος), οι καλλιεργητικές τεχνικές ο τρόπος παραγωγής του μπαχαρικού saffron που είναι τα αποξηραμένα κόκκινα στίγματα του άνθους η οικονομική σημασία του φυτού και η χημική σύσταση των στιγμάτων και των πετάλων. Στη συνέχεια (Κεφ. 2) περιγράφονται οι τεχνικές παραλαβής των δευτερογενών μεταβολιτών του φυτού που χρησιμοποιήθηκαν με ιδιαίτερη έμφαση στην περιγραφή των θεωρητικών αρχών των υπέρηχων. Ακολούθως στο Κεφ. 3 παραθέτονται γενικές πληροφορίες σχετικά με τις αντιοξειδωτικές ουσίες και τις μεθόδους προσδιορισμού της αντιοξειδωτικής δράσης με έμφαση στη μέθοδο του 2,2-διφαινυλο-Ι-πικρυλυδραζυλίου (2,2-diphenyl-l-picrylhydrazyl, DPPH'). Στο Κεφ. 4 περιγράφονται τα βιομόρια DNA, tRNA και ανθρώπινη ορολευκωματίνη (Human Serum Albumin-HSA), ενώ στο Κεφ. 5 περιγράφονται οι φασματοσκοπικές τεχνικές (υπέρυθρη φασματοσκοπία με μετασχηματισμό Fourier, φασματοσκοπία Raman με μετασχηματισμό Fourier) και η εφαρμογή της φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού στον υπολογισμό των σταθερών συμπλοκοποίησης. Στα Κεφ. 6 και 7 περιγράφεται η απομόνωση των φλαβονοειδών των πετάλων του κρόκου, η μελέτη τους τόσο με φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού όσο και με την υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης καθώς και ο ποσοτικός τους προσδιορισμός. Ακολούθως πραγματοποιήθηκε παραλαβή του αιθέριου ελαίου αποξηραμένων στιγμάτων κρόκου διαφόρων ετών συγκομιδής, που αποξηράνθηκαν τόσο με την παραδοσιακή μέθοδο αλλά και με λυοφυλίωση, τόσο με κλασικές μεθόδους παραλαβής (μικροαπόσταξη-εκχύλιση σε οργανικό διαλύτη, υδροαπόσταξη) όσο και με εκχύλιση με υπέρηχους (Κεφ. 8 και 9). Έγινε ποιοτική ανάλυση του αιθέριου ελαίου με τη χρήση αέριου χρωματογράφου με φασματόμετρο μάζας. Τα αιθέρια έλαια που παραλήφθηκαν με την μικροαπόσταξη-εκχύλιση σε οργανικό διαλύτη έχουν διαφορετική χημική σύσταση από αυτά που παραλήφθηκαν με την εκχύλιση με υπέρηχους. Εντοπίστηκαν πέντε νέα πτητικά συστατικά που ανήκουν στην κατηγορία των C13-νορισοπρενοειδών και υπολογίστηκε ποσοτικά η σαφρανάλη και η 4-υδροξυ-2,6,6-τριμεθυλο-1-κυκλοεξεν-1-καρβοξαλδεΰδη με τη χρήση αέριου χρωματογράφου με ανιχνευτή φασματόμετρο μάζας και ιονισμού-φλογός αντίστοιχα. Διαπιστώθηκε ότι το αιθέριο έλαιο είναι πλούσιο σε σαφρανάλη και ότι όσο παλαιότερο είναι το δείγμα παρατηρείται μια μικρή τάση αύξησης της ποσότητας της σαφρανάλης (Κεφ. 8). Στο Κεφ. 9 όπου η παραλαβή του αιθέριου ελαίου έγινε με υδροαπόσταξη, ο ποσοτικός προσδιορισμός της σαφρανάλης πραγματοποιήθηκε με φασματοσκοπία Raman με μετασχηματισμό Fourier και τα αποτελέσματα ελέγχθηκαν και με αέρια χρωματογραφία. Διαπιστώθηκε ότι η φασματοσκοπία Raman με μετασχηματισμό Fourier μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον ποσοτικό προσδιορισμό της σαφρανάλης. Στο Κεφ. 10 περιγράφεται η παραλαβή των κροκινών από τα αποξηραμένα στίγματα καθώς και η παρασκευή κροκετίνης και διμεθυλοκροκετίνης. Η ταυτοποίηση των παραπάνω ενώσεων πραγματοποιήθηκε τόσο με υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης όσο και με την υπέρυθρη φασματοσκοπία με μετασχηματισμό Fourier. Ακολούθως στο Κεφ. 11 ελέγχθηκε η αντιοξειδωτική δράση του αιθέριου ελαίου των στιγμάτων που παραλήφθηκε τόσο με υδροαπόσταξη όσο και με εκχύλιση με υπέρηχους, καθώς και των κροκινών, της κροκετίνης και της διμεθυλοκροκετίνης, με την μέθοδο του 2,2-διφαινυλ-1-πικρυλυδραζυλίου. Διαπιστώθηκε ότι η αντιοξειδωτική δράση των καροτενοειδών του κρόκου (κρόκινες) και των παραγώγων αυτών (κροκετίνη, διμεθυλοκροκετίνη) έχουν μεγαλύτερη αντιοξειδωτική δράση από αυτή του αιθέριου ελαίου. Η αντιοξειδωτική δράση της κροκετίνης και της διμεθυλοκροκετίνης αποκτούν μεγαλύτερο ενδιαφέρον από το γεγονός ότι οι κρόκινες μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό απαντούν με την υδρολυμένη τους μορφή που είναι η κροκετίνη ενώ η διμεθυλοκροκετίνη παράγεται μόνο εργαστηριακό και μπορεί και αυτή να χρησιμοποιηθεί εναλλακτικά ως αντιοξειδωτικό. Τέλος στα Κεφ. 12-14 και 15-17, μελετήθηκε η αλληλεπίδραση των φλαβονοειδών και των συστατικών των στιγμάτων (σαφρανάλη, κροκετίνη και διμεθυλοκροκετίνη), με τα βιομόρια DNA, tRNA και FISA με τη χρήση της υπέρυθρης φασματοσκοπίας με μετασχηματισμό Fourier και με τη φασματοσκοπία υπεριώδους- ορατού. Ειδικότερα μελετήθηκε η μεταβολή στη δομή των βιομορίων καθώς επίσης υπολογίστηκαν οι σταθερές συμπλοκοποίησης των ενώσεων αυτών με τα βιομόρια. Τα συστατικά του κρόκου δημιουργούν αρκετά σταθερά σύμπλοκα με τα παραπάνω βιομόρια και λόγω της αντιοξειδωτικής δράσης που έχουν, τα προστατεύουν και κατ' επέκταση προστατεύουν τον ανθρώπινο οργανισμό από την οξειδωτική δράση των ελευθέρων ριζών.