CC BY
58
Химия растительного сырья. 2010. №3. С. 67-70.
Низкомолекулярные соединения
УДК 547.857.4:543.51:547.918
МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ САМОАССОЦИАЦИИ КОФЕИНА И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ С ТРИТЕРПЕНОВЫМИ ГЛИКОЗИДАМИ
© Л.А. Яковишин1, Н.И. Борисенко2, Е.В. Ветрова3, М.И. Руднев3, В.И. Гришковец4
1 Севастопольский национальный технический университет, ул. Университетская, 33, Севастополь, 99Q53 (Украина) e-mail: [email protected]
2Эколого-аналитический центр Южного федерального университета, ул. Зорге, 7, Ростов-на-Дону, 344Q9Q (Россия)
3НИИ физической и органической химии Южного федерального университета, пр. Стачки, 194/2, Ростов-на-Дону, 344Q9Q (Россия)
4Таврический национальныйуниверситет им. В.И. Вернадского, пр. Вернадского, 4, Симферополь, 95QQ7 (Украина)
Методом масс-спектрометрии исследована самоассоциация кофеина, Установлено, что ассоциаты состоят из три-меров и гексамеров кофеина, Рассмотрена возможность комплексообразования кофеина с тритерпеновыми гликозидами 3-0-а^-рамнопиранозил-(1^2)-0-а-Ь-арабинопиранозидом хедерагенина и его 28-0-а-Ь-рамнопиранозил-(1^4)-0-Р-D-raK>K0nHpaH03m-(1^6)-0-P-D-raK>K0nHpaH03rn0BbiM эфиром, В условиях проведенных экспериментов соединения включения не образуются и найдены только самоассоциаты кофеина и гликозидов,
Ключевые слова: самоассоциация, кофеин, тритерпеновые гликозиды, комплексообразование, масс-спектрометрия,
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Фонда CRDF и Министерства образования и науки РФ по Российско-американской программе «Фундаментальные исследования и высшее образование» и программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Рособразования РФ (проекты РНП 2.2.2.2.3915, BP3C04, BP4M04).
Введение
Кофеин (1,3,7-триметилксантин) является одним из самых значимых алкалоидов. Он содержится в зернах кофе, орехах кола, какао-бобах, семенах гуараны и стеркулии, листьях чая и мате [1-4]. Содержание кофеина в чае может достигать 5%, а в семенах гуараны - более 6%. Он стимулирует центральную нервную систему, ослабляет действие снотворных и наркотических препаратов, обладает мочегонным свойством и усиливает сердечную деятельность [1, 5]. У него также обнаружены гербицидные [6], фунгицидные [7, 8] и моллюскоцидные свойства [9-11].
Самоассоциация кофеина исследовалась методами ЯМР-, УФ- и ИК-спектроскопии [12-15]. Установлено, что кофеин в водных растворах дает устойчивые димеры, в образовании которых участвуют стэкинг-взаимодействия [13-15]. В последнее время широко изучается гетероассоциация кофеина с различными веществами. Ранее были получены молекулярные комплексы кофеина с метиленовым голубым [16], антибиотиком митоксантроном [17], РНК [18], салицилатом натрия и рибофлавином [19], бромистым этидием и ДНК [20], а также с другими ароматическими веществами. Недавно рассмотрено межмолекулярное взаимодействие кофеина с веществами неароматической природы (сахарозой, р-циклодекстирином [21] и тритерпеновыми гликозидами [22]) в водных растворах методом УФ-спектроскопии. Возможность комплексообразования кофеина с тритерпеновыми гликозидами методом масс-спектрометрии ранее не изучалась. Тритерпеновые гликозиды и кофеин одновременно содержатся в чае Thea sinensis L. (Camellia sinensis O. Kuntze) (Theaceae) [23].
* Автор, с которым следует вести переписку,
Кофеин
Гликозид 1: К1=КЬа/>а-(1^2)-Ага/>а^, Я2=Н Гликозид 2: К1=КИа/>а-(1^2)-Ага/>а^, К2=^р01с^-(6^1)-р01е^-(4^1)-аКЬар
Тритерпеновые гликозиды являются перспективными природными соединениями для молекулярного капсулирования лекарственных веществ. Наиболее подробно оно рассмотрено для глицирризиновой кислоты. Показано, что при межмолекулярном взаимодействии образуются клатраты, в которых «хозяевами» выступают гликозиды, а различные фармаконы являются «гостями» [24].
Экспериментальная часть
Гликозиды 1 и 2 выделяли из Hedera taurica Carr. и Hedera canariensis Willd. (Araliaceae) по методикам, приведенным в работах [25, 26]. Смешивали растворы, содержащие по 1 ммоль гликозида и 2 ммоль кофеина (растворитель - смесь 70%-ного водного раствора этанола и хлороформа в соотношении 3 : 1, по объему). Полученную смесь выдерживали при 50 °С в течение 1,5 ч при постоянном перемешивании. Ор- Наиболее характерные ионы в масс-спектрах кофеина
ганические растворители отгоняли в вакууме. и смесях кофеина с гликозидами 1 и 2
Масс-спектральные исследования проведены с помощью спектрометра «Bruker Daltonics micrO-TOF-Q» с вводом пробы напрямую, ионизация электроспреем, детектирование отрицательных и положительных ионов в интервале от 50 до 3000 Да с точностью не менее 1*10-2 Да. Напряжение на капилляре распылителя ±4200 В, параметры газа-осушителя (азот «осч», 5 л мин-1,
200 °С) и энергия ионов на квадруполе (5,0 эВ) оптимизированы для детектирования пиков псев-домолекулярных и ассоциатных ионов. Для прямого ввода взяты растворы веществ в ацетонитриле (фирма Merck, квалификация HPLC/MS) в концентрации до 0,2 мг/мл (10-7^10-6 М). Резуль-
Строение иона Соотношение m/z
Кофеин (M = 194,080 Да)
[3М(кофеин)+Н20+№]+ 623,385
[3М(кофеин)+Н20+К]+ 639,360
[6М(кофеин)+7Н20]2- 645,421
Гликозид 1 (M = 750,453 Да)
[M(1)+Na]+ 773,566
[М(1)+К]+ 789,540
[2M(1)+Na]+ 1524,035
[(М(1)-Н)+2Н20]- 785,467
[(М(1)-Н)+М(1)+2Н20]- 1535,920
Гликозид 2 (M = 1220,616Да)
[2M(2)+Na+K]2+ 1251,751
[3M(2)+Na+K]2+ 1860,614
[(М(2)-Н)+2Н20]- 1255,639
[(М(2)-2Н)+М(2)+4Н20]2- 1255,639
таты приведены в таблице.
Обсуждениерезультатов
Структурные особенности кофеина (планарная структура, наличие полярных групп и выраженный ди-польный момент) позволяют его молекулам выстраивать автоассоциаты высокого порядка со строгой сте -хиометрией, укладка в которых осуществляется посредством стэкинг-взаимодействий. Ранее указывалось, что, наряду с димерами, кофеин может образовывать агрегаты более сложного состава, в частности тримеры [14]. Было показано, что для тримера кофеина теоретически возможно образование 81 конформера [15]. Действительно, в режиме положительных ионов основными пиками масс-спектра кофеина являются комплексы трех его молекул, молекулы воды и катионов натрия 623,385) или калия (m/z 639,360), т.е. [3М(кофеин)+Н20+№(К)]+ (см. рис.).
2
Фрагмент масс-спектра кофеина (режим положительных ионов)
В режиме отрицательных ионов преобладает пик двухзарядного аниона комплекса шести молекул кофеина и семи молекул воды [6М(кофеин)+7Н20]2- c m/z 645,421.
Для исследования комплексообразования в качестве модельных соединений использовали моно- и бис-десмозидные тритерпеновые гликозиды 1 и 2, представляющие собой, соответственно, 3-0-а-Х-рамнопира-нозил-(1^2)-0-а-£-арабинопиранозид и 3-0-а-Х-рамнопиранозил-(1^2)-0-а-Х-арабинопиранозил-28-0-а-Х-рамнопиранозил-( 1 ^4)-0-Р-^-глюкопиранозил-( 1 ^6)-0-Р-^-глюкопиранозиловый эфир хедерагенина. Гликозиды 1 и 2 являются действующими веществами лекарственных препаратов от кашля «Геделикс» и «Проспан», созданных на основе экстрактов листьев плюща обыкновенного (вьющегося) Hedera helix L. (Araliaceae) [27-29].
В режиме отрицательных ионов в масс-спектре смеси гликозида 1 и кофеина есть основные пики [(М(1)-Н)+2Н20]-, [(М(1)-Н)+М(1)+2Н20]- и [6М(кофеин)+7Н2О]2-. Возможно, в этом случае гексамерный ассоциат кофеина значительного размера не может эффективно занять полость, образованную двумя молекулами гликозида 1, и комплекс не образуется.
В режиме положительных ионов гликозид 1 не дает комплексов с кофеином, так как все основные пики соответствуют комплексам 1 с катионами водорода или натрия и комплексам трех молекул кофеина с катионами натрия или калия и молекулой воды. Кроме того, отсутствуют пики катионов с зарядом z=+1, +2 или +3 для сочетаний гликозида 1 и кофеина от 4 : 1 до 1 : 6.
В режиме положительных ионов все основные пики соответствуют комплексам 2 с катионами натрия и калия [2M(2)+Na+K]2+ и [3M(2)+Na+K]2+. При сравнении интенсивности комплексов гликозида 2 с катионами металлов комплекс [2M(2)+Na+K]2+ оказался в пять раз устойчивее комплекса [3M(2)+Na+K]2+. Как и в случае гликозида 1, пики катионов с зарядом z=1, 2 или 3 для сочетаний гликозида 2 и кофеина от 4 : 1 до 1 : 6 отсутствуют. Размер полости, образованной двумя или тремя молекулами гликозида 2, очевидно, также недостаточен для включения ассоциата из трех молекул кофеина.
Аналогично, гликозид 2 не образует комплексов с кофеином, так как масс-спектр их смеси в режиме отрицательных ионов содержит главный пик [(М(2)-Н)+2Н20]- и двухзарядный пик [(М(2)-2Н)+М(2)+4Н20]2-.
Выводы
1. Определен состав самоассоциатов кофеина, включающих три или шесть молекул кофеина.
2. В условиях эксперимента кофеин не образует устойчивых молекулярных комплексов включения с мо-лекулами тритерпеновых гликозидов.
3. Показано, что причиной отсутствия комплексообразования является образование устойчивых самоас-социатов кофеина и гликозидов.
Список литературы
1. Орехов А.П. Химия алкалоидов. М., 1955. 860 с.
2. Hostettmann К., Marston A., Ndjoko К., Wolfender J.-L. The potential of African plants as a source of drugs // Current Organic Chemistry. 2000. V. 4. Pp. 973-1010.
3. Химический анализ лекарственных растений / под ред. Н.И. Гринкевич, Л.Н. Сафронич. М., 1983. 176 с.
4. Ashihara H., Sano H., Crozier A. Caffeine and related purine alkaloids: Biosynthesis, catabolism, function and genetic
engineering // Phytochemistry. 2008. V. 69. N4. Pp. 841-856.
5. Машковский М.Д. Лекарственные средства: в 2 т., Т. 1. 13-е изд., новое. Харьков, 1997. 560 с.
6. Rizvi S.J.H., Rizvi V., Mukerjee D., Mathur S.N. 1,3,7-Trimethylxanthine, an allelochemical from seeds of Coffea
arabica some aspects of its mode of action as a natural herbicide // Plant and Soil. 1987. V. 98. Pp. 81-91.
7. Prabhuji S.K., Srivastava G.C., Rizvi S.J.H., Mathur S.N. 1,3,7-Trimethylxanthine (caffeine); a new natural fish fungicide // Cellular and Molecular Life Sciences (CMLS). 1983. V. 39. N2. Pp. 177-179.
8. Rizvi S.J.H., Jaiswal V., Mukerji D., Mathur S.N. Antifungal properties of 1,3,7-trimethylxanthine, isolated from Coffea arabica // Naturwissenschaften. 1980. B. V. 67. Pp. 459-460.
9. Hollingsworth R.G., Armstrong J.W., Campbell E. Caffeine as a repellent for slugs and snails // Nature. 2002. V. 417. Pp. 915-916.
10. Simms L., Wilson M. Caffeine - bad for slugs, good for the environment? // Pesticide Outlook. 2002. V. 13. N6. Pp. 270-271.
11. Souza H.E., Soares G.L.G., Bessa E.C.A. Molluscicidal and fagoinhibitory activity of caffeine and thymol on three species of terrestrial gastropod mollusks in laboratory conditions // Rev. bras. Zoociencias Juiz de fora. 2003. V. 5. N2. Pp. 291-292.
12. Davies D.B., Veselkov D.A., Djimant L.N., Veselkov A.N. Heteroassociation of caffeine and aromatic drugs and their competitive binding with a DNA oligomer // Eur. Biophys. J. 2001. V. 30. Pp. 354-366.
13. Веселков Д.А., Дэвис Д.Б., Дымант Л.Н, Веселков А.Н. Молекулярный механизм протекторного действия кофеина при комплексообразовании интеркалирующего лиганда с ДНК // Биополимеры и клетка. 2000. Т. 16. №6. С. 468-481.
14. Falk М., Gil М., Iza N. Self-association of caffeine in aqueous solution: an FT-IR study // Can. J. Chem. 1990. V. 68. Pp. 1293-1299.
15. Falk М., Chew W., Walter J.A., Kwiatkowski W., Barclay K.D., Klassen G.A. Molecular modelling and NMR studies of the caffeine dimer // Can. J. Chem. 1998. V. 76. Pp. 48-56.
16. Барановский С.Ф., Болотин П.А., Евстигнеев М.П. Агрегация 1,3,7-триметилксантина с метиленовым голубым в водном растворе // Журн. прикл. спектр. 2006. Т. 73. №2. С. 158-163.
17. Евстигнеев М.П., Веселков ДА., Дымант Л.Н., Дэвис ДБ., Веселков А.Н. *Н ЯМР анализ гетероассоциации кофеина с антибиотиком митоксантроном в водном растворе // Журн. структ. химии. 2001. Т. 42. №5. С. 928-935.
18. Johnson I.M., Kumar S.G.B., Malathi R. RNA binding efficacy of theophylline, theobromine and caffeine // J. of Bio-mol. Str. & Dyn. 2003. V. 20. №5. Pp. 687-692.
19. Барановский С.Ф., Болотин П.А. Ассоциация рибофлавина, кофеина и натриевого эфира салициловой кислоты в водном растворе // Журн. прикл. спектр. 2007. Т. 74. №2. С. 188-194.
20. Барановский С.Ф., Болотин П.А., Евстигнеев М.П., Чернышев Д.Н. Взаимодействие бромистого этидия и кофеина с ДНК в водном растворе // Журн. прикл. спектр. 2009. Т. 76. №1. С. 143-151.
21. Mejri М., BenSouissi A., Aroulmoji V., Roge B. Hydration and self-association of caffeine molecules in aqueous solution: Comparative effects of sucrose and P-cyclodextrin // Spectrochim. Acta Part A. 2009. V. 73. №1. Pp. 6-10.
22. Яковишин Л.А., Рубинсон M.A., Куртаметов И.С., Муждабаева А.Р. Молекулярное комплексообразование кофеина и тритерпеновых гликозидов в водных растворах // Актуальные вопросы теоретической и прикладной биофизики, физики и химии. БФФХ - 2009: материалы V междунар. науч.-техн. конф. Севастополь, 2009. С. 235-237.
23. Hostettmann K., Marston A. Saponins. Cambrige, 1995. 548 p.
24. Толстикова Т.Г., Толстиков А.Г., Толстиков Г.А. На пути к низкодозным лекарствам // Вестник РАН. 2007. Т. 77. №10. С. 867-874.
25. Гришковец В.И., Сидоров Д.Ю., Яковишин Л.А., Арнаутов Н.Н., Шашков А.С., Чирва В.Я. Тритерпеновые гликозиды Hedera canariensis I. Строение гликозидов L-A, L-Bb L-B2, L-C, L-D, L-Eb L-Gb L-G2, L-G3, L-G4, L-Hi, L-H2 и L-I из листьев Hedera canariensis // Химия природ. соедин. 1996. №3. С. 377-383.
26. Шашков А.С., Гришковец В.И., Лолойко А.А., Чирва В.Я. Тритерпеновые гликозиды Hedera taurica I. Строение таурозида Е из листьев Hedera taurica// Химия природ. соедин. 1987. №3. С. 363-366.
27. Яковишин Л.А., Гришковец В.И. Комплекс тритерпеновых гликозидов лекарственного препарата Hedelix® // Химия природ. соедин. 2003. №5. С. 417-418.
28. Яковишин Л.А., ВожжоваМ.А., Кузнецова А.Л., Гришковец В.И. Исследование тритерпеновых гликозидов лекарственного препарата проспан® // Журнал орг. и фарм. химии. 2005. Т. 3. Вып. 1 (9). С. 57-59.
29. ЗузукБ.М., КуцикР.В., Зузук Л.И. Плющвьющийся Hedera helixL. // Провизор. 2003. №12. С. 13-14.
Поступило в редакцию 19 сентября 2009 г.
