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    積雪草苷和羥基積雪草苷的電噴霧質(zhì)譜裂解機(jī)制研究

    2015-12-17 17:38:23詹雪艷張燕玲張加余冀嬌嬌劉永剛北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院北京100102
    質(zhì)譜學(xué)報(bào) 2015年4期
    關(guān)鍵詞:糖鏈糖基積雪草

    詹雪艷,張燕玲,張加余,譚 鵬,冀嬌嬌,董 潔,劉永剛(北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院,北京 100102)

    積雪草苷和羥基積雪草苷的電噴霧質(zhì)譜裂解機(jī)制研究

    詹雪艷,張燕玲,張加余,譚 鵬,冀嬌嬌,董 潔,劉永剛
    (北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院,北京 100102)

    以積雪草苷和羥基積雪草苷為研究對(duì)象,在正負(fù)離子模式下,獲得其電噴霧離子阱三級(jí)質(zhì)譜圖,結(jié)合分子模擬方法,解析了其正負(fù)離子模式下二級(jí)質(zhì)譜中基峰子離子的三級(jí)質(zhì)譜裂解途徑,并尋找其裂解規(guī)律。結(jié)果表明,以上兩種皂苷化合物在正負(fù)離子模式下,分子離子均發(fā)生苷鍵的斷裂,主要生成苷糖基的碎片離子;苷糖基在三級(jí)質(zhì)譜裂解中主要發(fā)生脫水和交叉環(huán)切除的裂解反應(yīng),其質(zhì)譜裂解途徑應(yīng)遵循苷糖基的脫水和縮環(huán)時(shí)不破壞分子內(nèi)氫鍵的裂解規(guī)律。應(yīng)用密度泛函(DFT)方法優(yōu)化得到苷糖基能量最低的穩(wěn)定構(gòu)型,利用氫鍵識(shí)別模塊對(duì)苷糖基可能形成的分子內(nèi)氫鍵及其位置進(jìn)行了預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,推測(cè)的正負(fù)碎片離子與質(zhì)譜裂解結(jié)果相符,從而驗(yàn)證了以上苷糖基的脫水和縮環(huán)規(guī)律的合理性。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果豐富了烏蘇烷型皂苷的電噴霧質(zhì)譜裂解規(guī)律,可為烏蘇烷型皂苷的結(jié)構(gòu)鑒定提供更多支持。

    烏蘇烷型皂苷;ESI-MSn;裂解途徑;裂解規(guī)律

    積雪草苷和羥基積雪草苷為傘形科植物積雪草Centella asiatica(L.)Urban中的活性成分,屬于烏蘇烷型皂苷,具有促進(jìn)創(chuàng)面愈合和抑制瘢痕形成的雙重療傷作用[1],同時(shí)具有抗抑郁[2]、抗驚厥[3]和改善記憶[4]等作用,還具有抗腫瘤[5]、抗病原微生物[6]等方面的生物活性,其化學(xué)結(jié)構(gòu)示于圖1。

    高效液相色譜-電噴霧離子阱質(zhì)譜(HPLCESI-MS)作為一種軟電離技術(shù),已成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)與生物分子間相互作用的重要手段[7-9]。為了使解析的裂解途徑更合理,可利用量子化學(xué)計(jì)算以輔助推測(cè)化合物的電噴霧質(zhì)譜裂解途徑和裂解規(guī)律[10-12]。目前,積雪草苷和羥基積雪草苷經(jīng)電噴霧質(zhì)譜裂解后,相關(guān)苷元離子和糖鏈離子的裂解規(guī)律的報(bào)道較少。因此,本工作擬通過研究積雪草苷和羥基積雪草苷的電噴霧多級(jí)正負(fù)離子質(zhì)譜裂解方式,總結(jié)其質(zhì)譜裂解特征和裂解規(guī)律,以期為烏蘇烷型化合物的結(jié)構(gòu)鑒定提供相關(guān)的質(zhì)譜資料和依據(jù)。

    1 實(shí)驗(yàn)部分

    1.1 儀器與試劑

    Agilent 1100series高效液相色譜儀:美國(guó)Agilent公司產(chǎn)品,配備在線脫氣機(jī)、四元泵、自動(dòng)進(jìn)樣器、柱溫箱、DAD檢測(cè)器、Chemstations色譜工作站等;Agilent XCT 6320型電噴霧離子阱質(zhì)譜儀:美國(guó)Agilent公司產(chǎn)品;Satorious十萬分之一電子分析天平:德國(guó)Satorious公司產(chǎn)品。

    圖1 積雪草苷和羥基積雪草苷的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structures of asiaticoside and madecassoside

    積雪草苷(批號(hào):110892-200604)、羥基積雪草苷(批號(hào):110893-200701)標(biāo)準(zhǔn)品:由中國(guó)食品藥品檢定研究院提供;乙腈(色譜純):美國(guó)Fisher公司產(chǎn)品;甲酸:美國(guó)Sigma公司產(chǎn)品;實(shí)驗(yàn)用水:二次蒸餾水,并經(jīng)0.45μm濾膜過濾。

    1.2 實(shí)驗(yàn)條件

    1.2.1 HPLC條件 Agilent-XDB C18色譜柱(4.6mm×250mm×5μm);流動(dòng)相:乙腈-0.1%甲酸水溶液(25∶75,V/V);流速:1.0mL/min;檢測(cè)波長(zhǎng):205nm;柱溫:30℃;進(jìn)樣量:10μL。

    1.2.2 ESI-MS條件 正負(fù)離子模式檢測(cè),霧化氣和干燥氣均為氮?dú)猓兌龋?9.99%),碰撞氣為氦氣(純度>99.99%);干燥氣流速:11L/min;霧化氣壓力:241.5kPa;離子源電噴霧電壓:3 500V;毛細(xì)管溫度:350℃;目標(biāo)質(zhì)量數(shù):500;化合物穩(wěn)定性:150%;離子阱驅(qū)動(dòng)水平:100%;質(zhì)量掃描范圍:m/z100~1 200;自動(dòng)多級(jí)質(zhì)譜掃描模式;碰撞能量:1V;小碎片增益:30%~200%。所得數(shù)據(jù)利用Agilent 6300離子阱工作站(6.1版本)進(jìn)行處理。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 正離子模式下的裂解途徑

    圖2 正離子模式下,積雪草苷和羥基積雪草苷的多級(jí)質(zhì)譜圖Fig.2 Multi-stage mass spectra of asiaticoside and madecassoside in positive ion mode

    積雪草苷和羥基積雪草苷均是烏蘇烷型的五環(huán)三萜皂苷,具有相同的糖鏈,二者的結(jié)構(gòu)差異在于皂苷元6位上相差一個(gè)羥基。積雪草苷和羥基積雪草苷在正離子模式下的多級(jí)質(zhì)譜圖示于圖2。在正離子模式下,積雪草苷和羥基積雪草苷一級(jí)質(zhì)譜的準(zhǔn)分子離子分別為m/z 997.5和m/z981.5,均為[M+Na]+離子,示于圖2a。對(duì)選中的準(zhǔn)分子離子進(jìn)行碰撞誘導(dǎo)解離分析,在二級(jí)質(zhì)譜圖中,以上兩個(gè)皂苷具有相同的碎片離子m/z 493.2,根據(jù)文獻(xiàn)[13]報(bào)道,標(biāo)記為B型碎片離子,示于圖2b。此碎片離子為糖苷鍵斷裂產(chǎn)生的糖基碎片離子,它的存在說明這兩個(gè)皂苷均發(fā)生了糖苷鍵的斷裂,正電荷均保留在糖基碎片離子一側(cè)。在二級(jí)質(zhì)譜圖中沒有觀察到皂苷苷元部分的碎片離子,這與皂苷元的結(jié)構(gòu)有關(guān),糖鏈與苷元以酯鍵的形式連接,正離子模式下,糖苷鍵斷裂時(shí)電荷強(qiáng)烈地保留在糖鏈的一側(cè),沒有電荷競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的發(fā)生[14]。對(duì)糖鏈B型離子m/z 493.2進(jìn)一步裂解得到三級(jí)質(zhì)譜圖,示于圖2c。其中m/z 475.2、447.2、421.2、405.2、391.3、349.1和m/z 347.1、331.1、329、289.2、259.1、184.9、167.1碎片離子均出現(xiàn)在積雪草苷和羥基積雪草苷的三級(jí)質(zhì)譜圖中,豐度最高的m/z 347.1為脫去末端鼠李糖所產(chǎn)生的碎片離子。

    在圖2c中能看到m/z 493離子繼續(xù)丟失一分子水生成碎片離子m/z 475,這表明在該條件下糖鏈發(fā)生了脫水反應(yīng)。

    圖3 糖鏈中分子內(nèi)氫鍵的位置示意圖Fig.3 Intramolecular hydrogen bonds in sugar chain

    已有研究表明,能形成氫鍵的取代基的結(jié)合能力強(qiáng)于不能形成氫鍵的取代基,質(zhì)譜裂解中通常不能形成氫鍵的取代基更容易獲取鍵斷裂所需的能量而優(yōu)先失去[15]。為了明確苷糖基交叉環(huán)切除的位置,采用Discovery Studio 4.0(DS)構(gòu)建了糖鏈的模型,MM2(molecular mechanics 2)方法進(jìn)行苷糖基結(jié)構(gòu)的初步優(yōu)化,應(yīng)用Gaussian 03軟件中的密度泛函(DFT)方法,在B3LYP/6-31d水平上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,得到能量最低苷糖基的穩(wěn)定構(gòu)型。根據(jù)各個(gè)基團(tuán)中氫、氧原子的電子云方向及其空間距離,利用DS中的氫鍵識(shí)別模塊對(duì)分子中可能發(fā)生的分子內(nèi)氫鍵進(jìn)行預(yù)測(cè),得到3個(gè)分子內(nèi)氫鍵,示于圖3。量取各個(gè)氫鍵的距離,根據(jù)該距離推斷氫鍵作用能力的強(qiáng)弱,結(jié)果表明,R2位羥基H與G6’位羥基O、G2’位羥基H與葡萄糖G環(huán)中氧橋上O較易形成分子內(nèi)氫鍵,氫鍵距離分別為1.756和1.878,均小于氫鍵空間距離的閾值2.5[15]。此外,葡萄糖G3’位羥基O與鼠李糖R1位上的H,兩原子間距離大于2.5,預(yù)測(cè)有形成氫鍵的傾向,但難以真正成鍵或所成氫鍵不穩(wěn)定。

    分子內(nèi)氫鍵增強(qiáng)了G6’和G3’位羥基與鼠李糖的連接,也增強(qiáng)了G2’位羥基與葡萄糖G的連接,因此中間環(huán)葡萄糖G’只進(jìn)行0,2鍵開裂,其余兩個(gè)環(huán)交叉切除裂解遵循不破壞上述氫鍵的原則。根據(jù)此規(guī)律推導(dǎo)三級(jí)質(zhì)譜中m/z493離子的裂解途徑,示于圖4。其中,圖4a所示的裂解途徑中產(chǎn)生的碎片離子與三級(jí)質(zhì)譜圖中的碎片離子很好地吻合,進(jìn)一步驗(yàn)證了鼠李糖R2位羥基H與G6’位羥基O,G2’位羥基H與葡萄糖G環(huán)中氧橋上O形成氫鍵,以及糖鏈環(huán)交叉切除時(shí)保留分子內(nèi)氫鍵的質(zhì)譜裂解規(guī)律的合理性。

    由于鼠李糖R3和R4位羥基,葡萄糖G上G2、G3和G4位羥基的電子云無法達(dá)到形成氫鍵的角度或原子間空間距離較大,而無法形成分子內(nèi)氫鍵,因此推測(cè)此處羥基與碳鏈的結(jié)合能較小,但卻容易與鄰碳上的氫結(jié)合成H2O后失去,對(duì)應(yīng)的兩個(gè)碳原子間形成雙鍵,轉(zhuǎn)變?yōu)橄┐际浇Y(jié)構(gòu),由于烯醇式結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為酮式結(jié)構(gòu),裂解途徑示于圖4b。根據(jù)圖4b中碎片離子m/z475的結(jié)構(gòu)式,推測(cè)該離子易縮環(huán)脫去CO分子,得到m/z447碎片離子,示于圖4c。

    2.2 負(fù)離子模式下的裂解途徑

    在負(fù)離子模式下,積雪草苷和羥基積雪草苷的一級(jí)質(zhì)譜圖中的準(zhǔn)分子離子分別為m/z 957.5和m/z973.5,是以上兩化合物的[MH]-離子,對(duì)該[M-H]-離子進(jìn)行裂解得到負(fù)離子模式下的二級(jí)質(zhì)譜圖,示于圖5。積雪草苷裂解為m/z 469.1、487.3碎片離子,羥基積雪草苷裂解為m/z469.1、503.2碎片離子。其中,m/z487.3和m/z 503.2分別是積雪草苷和羥基積雪草苷的苷元部分碎片離子,m/z 469.1是皂苷的寡糖鏈片段負(fù)離子,該離子的存在表明負(fù)離子模式下糖苷鍵斷裂時(shí),電荷在糖鏈上或苷元上的保留發(fā)生競(jìng)爭(zhēng),電荷競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的結(jié)果是糖鏈上部分碎片負(fù)離子的豐度強(qiáng)于苷元的碎片負(fù)離子。

    圖4 糖鏈加合離子[M+Na]+的裂解途徑Fig.4 Fragmentation pathway of sugar adduct ions[M+Na]+

    圖5 負(fù)離子模式下,積雪草苷(a)和羥基積雪草苷(b)的二級(jí)質(zhì)譜圖Fig.5 MS2 spectrum of asiaticoside(a)and madecassoside(b)in negative ions mode

    糖鏈碎片負(fù)離子m/z469進(jìn)一步裂解得到的三級(jí)質(zhì)譜圖示于圖6。根據(jù)不破壞分子內(nèi)氫鍵的質(zhì)譜裂解規(guī)律進(jìn)行苷糖基交叉環(huán)切除,推測(cè)負(fù)離子模式下兩皂苷的寡糖鏈負(fù)離子可能的裂解途徑,示于圖7。苷糖基[M-H]-離子的脫氫位置可能是不能形成氫鍵的鼠李糖R3和R4位上的H,葡萄糖G上G2、G3和G4位的H,而該離子的中間環(huán)是0,2鍵斷裂,生成的碎片離子主要是C型離子和C型離子交叉開環(huán)或失去一分子水產(chǎn)生的碎片離子。

    2.3 討論

    圖6 負(fù)離子模式下,糖鏈負(fù)離子m/z469的三級(jí)質(zhì)譜圖Fig.6 MS3 spectrum of sugar negative ion m/z 469in negative ion mode

    圖7 負(fù)離子模式下,糖鏈負(fù)離子m/z 469的裂解途徑Fig.7 Fragmentation pathway of sugar negative ion m/z 469in negative ion mode

    積雪草苷和羥基積雪草苷均為烏蘇烷型皂苷,在正負(fù)離子模式下,兩者的電噴霧質(zhì)譜裂解的二級(jí)質(zhì)譜圖中主要以糖苷鍵斷裂所產(chǎn)生的苷糖基碎片離子為主。在本實(shí)驗(yàn)條件下,正負(fù)離子模式下其二級(jí)質(zhì)譜中均只發(fā)生糖苷鍵的斷裂,電荷更容易保留在糖鏈上,分別得到高豐度的苷糖基正負(fù)離子。

    在積雪草苷和羥基積雪草苷三級(jí)質(zhì)譜圖中,苷糖基的碎裂方式主要有鄰二羥基脫水和糖基交叉環(huán)切除。應(yīng)用分子模擬方法,預(yù)測(cè)了糖鏈上羥基形成分子內(nèi)氫鍵的位置。研究結(jié)果表明,苷糖基交叉環(huán)切除的位置與其分子內(nèi)氫鍵有關(guān),苷糖基環(huán)交叉切除時(shí)保留分子內(nèi)氫鍵,同時(shí)苷糖基上鄰二羥基脫水也發(fā)生在不能形成氫鍵的鄰二羥基間。同時(shí)計(jì)算了苷糖基上C—H鍵的鍵能,確定了負(fù)離子模式下苷糖基[M-H]-離子的脫氫位置,即G2、G3、G4位羥基H或R3、R4位羥基產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)脫H,脫氫后在不同位置產(chǎn)生負(fù)電荷中心,得到不同類型的碎片離子,由此推測(cè)的裂解過程中產(chǎn)生的正負(fù)碎片離子與質(zhì)譜裂解結(jié)果相符,從而驗(yàn)證了以上苷糖基的脫水和縮環(huán)規(guī)律的合理性。

    3 結(jié)論

    本研究應(yīng)用分子模擬方法預(yù)測(cè)了積雪草苷和羥基積雪草苷糖鏈上可能存在的分子內(nèi)氫鍵,推測(cè)了積雪草苷和羥基積雪草苷的三級(jí)質(zhì)譜裂解途徑,其質(zhì)譜裂解途徑遵循苷糖基的脫水和縮環(huán)時(shí)不破壞分子內(nèi)氫鍵的裂解規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果豐富了烏蘇烷型皂苷的電噴霧質(zhì)譜裂解規(guī)律,可為烏蘇烷型皂苷的結(jié)構(gòu)鑒定提供更多支持。

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    Fragmentation Pathways and Patterns of Asiaticoside and Madecassoside in ESI-MSn

    ZHAN Xue-yan,ZHANG Yan-ling,ZHANG Jia-yu,TAN Peng,JI Jiao-jiao,DONG Jie,LIU Yong-gang
    (Beijing University of Chinese Medicine,Beijing100102,China)

    To study the fragmentation pathways and patterns of asiaticoside and madecassoside by electrospray ionization mass spectrometry(ESI-MSn),the two compounds were analyzed by HPLC-ESI-MSnin positive ion mode and negative ion mode respectively,and multi-stage mass spectrum diagrams of the above two compounds were obtained.Mass spectrometry fragments of asiaticoside and madecassoside were analyzed under positive ion mode and negative ion mode,the stable configuration of sugar ions having the lowest energy was determined by calculation with density functional theory(DFT),and the fragments from the above two compounds mainly were the fragments of the anthocyanin glycosylation after the Glycoside bond of the molecular breaked,and dehy-dration and cracking rings occured in the fragments of the anthocyanin glycosylation in which the intramolecular hydrogen bonds were not destroyed.The intramolecular hydrogen bonding and dehydrogenation position in the anthocyanin glycosylation were predicted by calculating the molecular space bond length by Monitor Hbonds in the soft Discovery Studio 4.0,from which the positive and negative ions inferred are accord with the anthocyanin glycosylation fragments in the experiment,which confirms the rationality of the law of dehydration and cracking rings in the anthocyanin glycosylation fragments were guided by the law of dehydration and cracking rings of the anthocyanin glycosylation.The fragmentation pathways of the anthocyanin glycosylation fragments are explained by the calculation of the quantum chemistry at a molecular level,and can provide the basis for the chemical structure identification of ursane saponins.

    ursane saponins;ESI-MSn;fragmentation pathways;fragmentation patterns

    O657.63

    A

    1004-2997(2015)04-0289-07

    10.7538/zpxb.youxian.2015.0015

    2014-06-30;

    修回日期:2014-11-15

    北京市青年英才計(jì)劃(YETP0815)資助

    詹雪艷(1978—),女(漢族),湖北鄂州人,博士,從事中藥分析與中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)研究。E-mail:snowzhan@126.com通信作者:劉永剛(1981—),男(漢族),山東臨沂人,博士,從事中藥化學(xué)研究。E-mail:liuyg0228@163.com

    時(shí)間:2015-05-25;

    網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2979.TH.20150525.1527.001.html

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