Comparative Study of Antioxidant Activity of 4-H Pyran Acids Using Optical Methods and Quantum-Chemical Calculations

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The main representatives of 4-H-pyran series acids are meconic, comenic, chelidonic and kojic acids. A wide range of physiological activity has been established with respect to these substances, including neuroprotective, anti-inflammatory, immunomodulatory and regenerating activity. A comparative analysis of the antioxidant activity of these acids in various model systems has been carried out using chemiluminescent, spectrophotometric and fluorescent analysis methods, as well as computational methods of quantum chemistry. It was found that, in relation to lipid, luminol, and pyroxyl radicals, all the acids studied in the work showed a dose-dependent decrease in the intensity of the chemiluminescent reaction, expressed by varying degrees of inhibition for each compound. With respect to the stable radical ABTS+•, all the studied acids also had an inhibitory effect. With varying efficiencies, the studied compounds showed a chelating effect on Fe2+ cations and inhibited the development of the Fenton reaction in the model system. The experimental data obtained on the antiradical activity of the studied compounds correlated with the theoretical calculations of their antioxidant potential. The established antioxidant and chelating properties of the basic acids of the 4-H-pyran series allow them to be considered as potential ligands and components in the synthesis of new complex and hybrid compounds.

About the authors

S. V Kozin

Kuban State University; Southern Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: kozinsv85@mail.ru
Krasnodar, Russia; Rostov-on-Don, Russia

O. M Lyasota

Kuban State University; Southern Research Center, Russian Academy of Sciences

Krasnodar, Russia; Rostov-on-Don, Russia

A. A Kravtsov

Kuban State University; Southern Research Center, Russian Academy of Sciences

Krasnodar, Russia; Rostov-on-Don, Russia

E. A Kozlova

Kuban State University

Krasnodar, Russia

A. D Rubailo

Kuban State University

Krasnodar, Russia

A. V Moiseev

Kuban State Medical University

Krasnodar, Russia

K. A Popov

Kuban State Agrarian University

Krasnodar, Russia

A. V Bespalov

Kuban State University

Krasnodar, Russia

K. V Gordeev

Kuban State Medical University

Krasnodar, Russia

References

  1. Reddy V. P. Oxidative stress in health and disease. Biomedicines, 11 (11), 2925 (2023). doi: 10.3390/biomedicines11112925
  2. Yoshikawa T. and You F. Oxidative stress and bio-regulation. Int. J. Mol. Sci., 25 (6), 3360 (2024). doi: 10.3390/ijms25063360
  3. Никитина О. А., Даренская М. А., Семёнова Н. В., и Колесникова Л. И. Система антиоксидантной защиты: регуляция метаболических процессов, генетические детерминанты, методы определения. Cибирский науч. мед. журн., 42 (3), 4–17 (2022). doi: 10.18699/SSMJ20220301
  4. Mendonça J. D. S., Guimarães R. C. A., Zorgetto-Pinheiro V. A., Fernandes C. D. P., Marcelino G., Bogo D., Freitas K. C., Hiane P. A., de Pádua Melo E. S., Vilela M. L. B., and Nascimento V. A. D. Natural antioxidant evaluation: A review of detection methods. Molecules, 27 (11), 3563 (2022). doi: 10.3390/molecules27113563
  5. Stoia M. and Oancea S. Low-molecular-weight synthetic antioxidants: Classification, pharmacological profile, effectiveness and trends. Antioxidants (Basel), 11 (4), 638 (2022). doi: 10.3390/antiox11040638
  6. Forman H. J. and Zhang H. Targeting oxidative stress in disease: promise and limitations of antioxidant therapy. Nat. Rev. Drug Discov., 20 (9), 689–709 (2021). doi: 10.1038/s41573-021-00233-1. Erratum in: Nat. Rev. Drug Discov., 20 (8), 652 (2021). doi: 10.1038/s41573-021-00267-5
  7. Yan Q., Liu S., Sun Y., Chen C., Yang S., Lin M., Long J., Yao J., Lin Y., Yi F., Meng L., Tan Y., Ai Q., Chen N., and Yang Y. Targeting oxidative stress as a preventive and therapeutic approach for cardiovascular disease. J. Transl. Med., 21 (1), 519 (2023). doi: 10.1186/s12967-023-04361-7
  8. Chen Y., Li X., Wang S., Miao R., and Zhong J. Targeting iron metabolism and ferroptosis as novel therapeutic approaches in cardiovascular diseases. Nutrients, 15 (3), 591 (2023). doi: 10.3390/nu15030591
  9. Rojas-Solé C., Pinilla-González V., Lillo-Moya J., González-Fernández T., Saso L., and Rodrigo R. Integrated approach to reducing polypharmacy in older people: exploring the role of oxidative stress and antioxidant potential therapy. Redox Rep., 29 (1), 2289740 (2024). doi: 10.1080/13510002.2023.2289740
  10. Zilles J. C., Dos Santos F. L., Kulkamp-Guerreiro I. C., and Contri R. V. Biological activities and safety data of kojic acid and its derivatives: A review. Exp. Dermatol., 31 (10), 1500–1521 (2022). doi: 10.1111/exd.14662
  11. Li H., Du X., Chen C., Qi J., and Wang Y. Integrating transcriptomics and metabolomics analysis on kojic acid combating Acinetobacter baumannii biofilm and its potential roles. Microbiol. Res., 254, 126911 (2022). doi: 10.1016/j.micres.2021.126911
  12. Li T. X., Liang J. X., Liu L. L., Shi F. C., Jia X. W., Li M. H., and Xu C. P. Novel kojic acid derivatives with anti-inflammatory effects from Aspergillus versicolor. Fitoterapia, 154, 105027 (2021). doi: 10.1016/J.FITOTE.2021.105027
  13. Suthiram K. T., Ghazi T., Abdul N. S. and Chutungoon A. A. Kojic acid induces oxidative stress and anti-inflammatory effects in human hepatocellular carcinoma (HepG2) cells. Toxicon, 232, 107221 (2023). doi: 10.1016/j.toxicon.2023.107221
  14. Wang K., Liu C., Di C. J., Ma C., Han C. G., Yuan M. R., Li P. F., Li L. and Liu Y. X. Kojic acid protects C57BL/6 mice from gamma-irradiation induced damage. Asian Pac. J. Cancer Prev., 15 (1), 291–297 (2014). doi: 10.7314/apjcp.2014.15.1.291
  15. Wang K., Li P. F., Han C. G., Du L., Liu C., Hu M., Lian S. J. and Liu Y. X. Protective effects of kojic acid on the periphery blood and survival of beagle dogs after exposure to a lethal dose of gamma radiation. Radiat. Res., 182 (6), 666–673 (2014). doi: 10.1667/RR13823.1
  16. Hosseinimehr S. J., Emami S., Zakaryaee V., Ahmadi A., and Moslemi D. Radioprotective effects of kojic acid against mortality induced by gamma irradiation in mice. Saudi Med. J., 30 (4), 490–493 (2009).
  17. Wei X., Luo D., Yan Y., Yu H., Sun L., Wang C., Song F., Ge H., Qian H., Li X., Tang X., and Liu P. Kojic acid inhibits senescence of human corneal endothelial cells via NF-κB and p21 signaling pathways. Exp. Eye Res., 180, 174–183 (2019). doi: 10.1016/j.exer.2018.12.020
  18. Khan A., Park T. J., Ikram M., Ahmad S., Ahmad R., Jo M. G., and Kim M. O. Antioxidative and anti-inflammatory effects of kojic acid in Aβ-induced mouse model of Alzheimer's disease. Mol Neurobiol., 58 (10), 5127–5140 (2021). doi: 10.1007/s12035-021-02460-4
  19. Singh D. K., Gulati K., and Ray A. Effects of chelidonic acid, a secondary plant metabolite, on mast cell degranulation and adaptive immunity in rats. Int Immunopharmacol., 40, 229–234 (2016). doi: 10.1016/j.intimp.2016.08.009
  20. Oh H. A., Kim H. M., and Jeong H. J. Beneficial effects of chelidonic acid on a model of allergic rhinitis. Int. Immunopharmacol., 11 (1), 39 (2011). doi: 10.1016/j.intimp.2010.10.002
  21. Avdeeva E., Porokhova E., Khlusov I., Rybalova T., Shults E., Litvinova L., Shupletsova V., Khaziakhmatova O., Sukhodolo I., and Belousov M. Calcium chelidonate: Semi-synthesis, crystallography, and osteoinductive activity in vitro and in vivo. Pharmaceuticals (Basel), 14 (6), 579 (2021). doi: 10.3390/ph14060579
  22. Porter T. G. and Martin D. L. Chelidonic acid and other conformationally restricted substrate analogues as inhibitors of rat brain glutamate decarboxylase. Biochem. Pharmacol., 34 (23), 4145–4150 (1985). doi: 10.1016/0006-2952(85)90207-2
  23. Jeong H. J., Yang S. Y., Kim H. Y., Kim N. R., Jang J. B., and Kim H. M. Chelidonic acid evokes antidepressant-like effect through the up-regulation of BDNF in forced swimming test. Exp Biol Med (Maywood), 241 (14), 1559–1567 (2016). doi: 10.1177/1535370216642044
  24. Козин С. В., Кравцов А. А., Киндоп В. К., Беспалов А. В., Иващенко Л. И., Назаренко М. А., Моисеев А. В., Чураков А. В. и Вашурин А. С. Синтез и физико-химические свойства солей магния с 4нпириновыми кислотами. Журн. неорг. химии, 70 (2), 191–200 (2025). doi: 10.31857/S0044457X25020065
  25. Шурыгин А. Я. Препарат Бализ-2. 2-е изд. (Кубан. гос. ун-т, Краснодар, 2001).
  26. Kozin S., Kravtsov A., Ivashchenko L., Dotsenko V., Dzhimak S., Aksenov N., Vashurin A., Ivlev V., Baryshev M., Bespalov A., Fedulova L., Dorohova A., and Anashkina A., Structure and neuroprotector properties of a complex compound of lithium with comenic acid. Int. J. Mol. Sci., 25 (1), 286 (2024). doi: 10.3390/ijms25010286
  27. Kozin S., Kravtsov A., Ivashchenko L., Dotsenko V., Vasilyeva L., Vasilyev A., Tekutskaya E., Aksenov N., Baryshev M., Dorohova A., Fedulova L., and Dzhimak S. Study of the magnesium comenate structure, its neuroprotective and stress-protective activity. Int. J. Mol. Sci., 24 (9), 8046 (2023). doi: 10.3390/ijms24098046
  28. Rogachevskii I. V., Plakhova V. B., Penniyaynen V. A., Terekhin S. G., Podzorova S. A., and Krylov B. V. New approaches to the design of analgesic medicinal substances. Can. J. Physiol. Pharmacol., 100 (1), 43 (2022). doi: 10.1139/cjpp-2021-0286
  29. Shurygina L. V., Zlishcheva E. I., and Kravtsov A. A. Neurotrophic action of comenic acid and its derivatives potassium comenate and calcium comenate. Bull. Exp. Biol. Med., 165 (4), 465–469 (2018). doi: 10.1007/s10517-018-4195-6
  30. Shurygina L. V., Zlishcheva E. I., Khablyuk V. V., Kravtsova A. N., Abramova N. O., Zlishcheva L. I., and Kravtsov A. A. Comparative analysis of antioxidant properties of comenic acid and potassium comenate in modeled immobilization stress. Bull. Exp. Biol. Med., 159 (4), 466–468 (2015). doi: 10.1007/s10517-015-2993-7
  31. Shurygina L. V., Zlishcheva E. I., Kravtsova A. N., and Kravtsov A. A. Antioxidant and antiamnestic effects of potassium comenate and comenic acid under conditions of normobaric hypoxia with hypercapnia. Bull. Exp. Biol. Med., 163 (3), 344–348 (2017). doi: 10.1007/s10517-017-3800-4
  32. Kondratenko R. V., Chepkova A. N., Shurygin A. Y., and Skrebitskii V. G. Comenic acid prevents post-stress enhancement of long-term potentiation in rat hippocampus. Bull. Exp. Biol. Med., 136 (5), 464–466 (2003). doi: 10.1023/b:bebm.0000017094.267116c
  33. Kozin S. V., Ivashchenko L. I., Kravtsov A. A., Vasilyeva L. V., Vasiliev A. M., Bukov N. N., Dorohova A. A., Lyasota O. M., Bespalov A. V., and Dzhimak S. S. Meconic acid is a possible neuroprotector: justification based on in vitro experiments and its physicochemical properties. Biophysics, 68 (1), 13–23 (2023). doi: 10.1134/S006350923010098
  34. Günzel P., Forster L., Schollmayer C., and Holzgrabe U. A convenient preparation of carboxy-γ-pyrone derivatives: Meconic acid and comenic acid. Org. Prepar. Procedures Int., 50 (5), 512–516 (2018). doi: 10.1080/00304948.2018.1525990
  35. Козин С. В., Кравцов А. А., Кравченко С. В. и Иващенко Л. И. Антиоксидантный и анксиолитический эффекты Вуабмасейна амфоязыки и Гасюбайка ас-идорійна в условиях нормобарической гипоксии с гиперкапцией. Вопросы питомца, 90 (2), 63–72 (2021). doi: 10.33029/0042-8833-2021-90-2-63-72
  36. Козин С. В., Кравцов А. А., Кравченко С. В. и Иващенко Л. И. Цитопротективный и антиоксидантный эффект мехоновой кислоты в модельных системах. Бог. эксперимент. биологии и медицины, 171 (5), 592–595 (2021). doi: 10.47056/0365-9615-2021-171-5-592-595
  37. Giordano A., Morales-Tapia P., Moncada-Basualto M., Pozo-Martínez J., Olea-Azar C., Nesic A., and Cabrera-Barjas G. Polyphenolic composition and antioxidant activity (ORAC, EPR and Cellular) of different extracts of Argyllia radiate vitroplants and natural roots. Molecules, 27 (3), 610 (2022). doi: 10.3390/molecules27030610
  38. Ramlagan P., Rondeau P., Planesse C., Neergheer-Bhujun V., Bourdon E., and Bahorun T. Comparative suppressing effects of black and green teas on the formation of advanced glycation end products (AGEs) and AGE-induced oxidative stress. Food Funct., 8 (11), 4194–4209 (2017). doi: 10.1039/c7f601038a
  39. Re R., Pellegrini N., Proteggente A., Pannala A., Yang M. and Rice-Evans C. Antioxidant activity applying an improved ABTS radical cation decolorization assay. Free Radic Biol Med., 26 (9–10), 1231–1237 (1999). doi: 10.1016/s0891-5849(98)00315-3
  40. Babenkova I. V., Osipov A. N., and Teselkin Y. O. The effect of dihydroquercetin on catalytic activity of iron (II) ions in the fenton reaction. Bull. Exp. Biol. Med., 165 (3), 347–350 (2018). doi: 10.1007/s10517-018-4167-x
  41. Neese F. The ORCA program system. WIREs Comput. Mol. Sci., 2 (1), 73–78 (2012). doi: 10.1002/WCMS.81
  42. Becke A. D. Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic behavior. Phys. Rev. A, 38 (6), 3098–3100 (1988). doi: 10.1103/physreva.38.3098
  43. Grimme S., Ehrlich S., and Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput. Chem., 32, 1456–1465 (2011). doi: 10.1002/jcc.21759
  44. Weigend F. and Ahlrichs R. Balanced basis sets of split valence, triple zeta valence and quadruple zeta valence quality for H to Rn: Design and assessment of accuracy. Phys. Chem. Chem. Phys., 7, 3297–3305 (2005). doi: 10.1039/b508541a
  45. Tomasi J., Mennucci B., and Cammi R. Quantum mechanical continuum solvation models. Chem. Rev., 105, 2999–3094 (2005). doi: 10.1021/cr9904009
  46. Khan P., Idrees D., Moxley M. A., Corbett J. A., Ahmad F., von Figura G., Sly W. S., Waheed A., and Hassan M. I. Luminol-based chemiluminescent signals: clinical and non-clinical application and future uses. Appl. Biochem. Biotechnol., 173 (2), 333–355 (2014). doi: 10.1007/s12010-014-0850-1
  47. Sun R., Casali L., Turner R. J., Braga D. and Grepioni F. Exploring the co-crystallization of kojic acid with silver(I), copper(II), zinc(II), and gallium(III) for potential antibacterial applications. Molecules, 28 (3), 1244 (2023). doi: 10.3390/molecules28031244
  48. Kandioller W., Kurzwernhart A., Hanif M., Meier S. M., Henke H., Keppler B. K. and Hartinger C. G. Pyrene derivatives and metals: From natural products to metal-based drugs. J. Organometallic Chem., 696 (5), 999–1010 (2011). doi: 10.1016/j.jorganchem.2010.11.010
  49. Yasodha V., Govindarajan S., Low J. N. and Gildewell C. Cationic, neutral and anionic metal(II) complexes derived from 4-oxo-4H-pyran-2,6-dicarboxylic acid (cheliotonic acid). Acta Crystallogr. C., 63 (5), 207–215 (2007). doi: 10.1107/S010827010701459X
  50. Munteanu I. G. and Apetrei C. Analytical methods used in determining antioxidant activity: A review. Int. J. Mol. Sci., 22 (7), 3380 (2021). doi: 10.3390/ijms22073380
  51. Timoshnikov V. A., Selyutina O. Y., Polyakov N. E., Didichenko V., and Kontoghiorghes G. J. Mechanistic insights of chelator complexes with essential transition metals: Antioxidant/Pro-oxidant activity and applications in medicine. Int. J. Mol. Sci., 23 (3), 1247 (2022). doi: 10.3390/ijms23031247
  52. Fujimoto T. and Gotoh H. Feature selection for the interpretation of antioxidant mechanisms in plant phenolics. Molecules, 28 (3), 1454 (2023). doi: 10.3390/molecules28031454
  53. Volynkin V. A., Pachuev A. V., Pirogova A. N., Panyushkin V. T., and Shurygin A. Ya. An NMR study of comenic acid and its salts with Li+ and Na+ in aqueous solution and solid state. J. Struct. Chem., 52 (5), 892–896 (2011). doi: 10.1134/S0022476611050076
  54. Miyamoto S. and Brochmann-Hanssen E. Dissociation constants of certain gamma-pyrone dicarboxylic acids. Meconic acid and cheliotonic acid. J. Pharm. Sci., 51, 552–554 (1962). doi: 10.1002/jps.2600510613

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».