Алкалоїди

Алкалоїди – це гетероциклічні сполуки, що містять у гетероциклі азот. Вони поширені в рослинах, але останнім часом ряд алкалоїдів знайдені у бактеріях, грибах і навіть у комах.

У наш час уже відомо понад 10 000 алкалоїдів. Однак на алкалоїдність досліджено усього лише близько 5 % усіх видів рослин.

Алкалоїди привертають до себе увагу фахівців різних галузей знань, тому що ці речовини фізіологічно дуже активні та мають широке застосування у медицині, ветеринарії, харчовій промисловості й сільському господарстві.

Близько 170 років тому, коли були відкриті перші сполуки цього типу, у медицині почалася ера алкалоїдів. Учений М. М. Соколов дуже образно писав про їхнє значення для медицини: «відкриття алкалоїдів для медицини означало те саме, що і відкриття заліза для світової культури». Дійсно, цінні лікувальні властивості алкалоїдів численні. По-перше, у них слабше, ніж в інших лікарських препаратів, виражена побічна дія. По-друге, дія алкалоїдів виявляється швидко, що дуже важливо при ряді захворювань (серцево-судинних, спазматичних тощо). По-третє, у них відсутній кумулятивний ефект. Можна довго перераховувати алкалоїдні лікарські препарати: хінін, морфін, кодеїн, папаверин, резерпін, ефедрин, платифілін, раунатин, атропін, стрихнін, кофеїн та їхні похідні: дибазол, но-шпа, новокаїн, лідокаїн, диплацин, промедол тощо.

У ветеринарії алкалоїди також використовуються як лікарські препарати. Крім того, вони застосовуються в харчовій промисловості, їх містить рослинна сировина, з якої виготовляють каву, чай, какао, тонізуючі напої. Вся тютюнова промисловість заснована на алкалоїді нікотині. У сільському господарстві алкалоїди використовуються для боротьби зі шкідниками різних культур (нікотин, анабазин та ін.).

Вміст і склад алкалоїдів рослин в хемотаксономії використовується як таксономічні ознаки.

Алкалоїди є органічними основами і утворюють солі з кислотами (яблучною, винною, лимонною, бурштиновою, малоновою, щавлевою, оцтовою та ін.). Самі алкалоїди не розчиняються у воді, а їх солі розчинні. Вони містяться в клітинному соку, тому алкалоїди з'являються і накопичуються в рослинних тканинах із появою і розвитком вакуолей. Зазвичай алкалоїди накопичуються у тканинах, що активно ростуть, в обкладках судинно-волокнистих пучків, у молочниках.

Часто алкалоїди синтезуються в одних тканинах, а потім транспортуються і накопичуються в інших. Це видно на прикладі нікотину. Він утворюється в коренях тютюну, а звідти транспортується в листки, де і накопичується.

Звичайно в рослині присутня ціла група алкалоїдів, серед яких один або декілька головних містяться в більшій кількості, а інші часто є їхньою модифікацією.

Алкалоїди за хімічною будовою є складними речовинами. Часто їх основний гетероцикл сконденсований із багатьма карбо- і гетероциклами.

Алкалоїди поділяють на три великі групи залежно від будови та утворення їхньої молекули:

1. Справжні алкалоїди. Вони утворюються з амінокислот і містять азот у гетероциклі.

2. Протоалкалоїди. Вони утворюються з амінокислот, але містять азот не в гетероциклі, а в бічному ланцюгу.

3. Псевдоалкалоїди, або терпеноїдні алкалоїди. Вони утворюються з ацетил-СоА, а азот включається у гетероцикл або в бічний ланцюг на останніх етапах синтезу.

Справжні алкалоїди

Це найбільша і найрізноманітніша група алкалоїдів. Усередині цієї групи їх поділяють за природою основного гетероциклу на похідні піролідину, піперидину, піридину, хіноліну, індолу, пурину та інші.

Стахідрин – один з небагатьох простих алкалоїдів. Він являє собою метильоване похідне проліну – пролінбетаїн. Стахідрин зустрічається у коренях і листках тютюну, листках буквиці тощо.

Тропанові алкалоїди містяться в багатьох рослинах родини пасльонових (беладона, дурман, блекота) і мають більш складну будову. Один із найбільш відомих алкалоїдів цієї групи – атропін. Його молекула являє собою складний ефір спирту тропіну і тропової кислоти.

Атропін був виділений у 1833 р. Це один з перших отриманих із рослин алкалоїдів. Атропін знижує тонус гладких м'язів, особливо очей, бронхів, органів черевної порожнини. У великих дозах він стимулює кору великих півкуль і може викликати занепокоєння, судоми, галюцинації. Атропін застосовують при бронхіальній астмі, печінкових і ниркових коліках, в офтальмології. Атропін та супроводжуючі його алкалоїди відносять до групи атропіну.

Серед тропанових алкалоїдів виділяють ще одну групу – групу кокаїну.

Кокаїн являє собою складний ефір спирто-кислоти екгоніну, бензойної кислоти і метилового спирту.

Кокаїн – один з алкалоїдів листків кокового куща (коки). Стародавні індіанці використовували листки коки для притуплення почуття голоду та підвищення сили м'язів. Однак листки коки дуже токсичні. Коли кокаїн потрапляє в кров, то спочатку наступає ейфорія, а потім пригнічення центральної нервової системи. Він руйнує не тільки нервову систему, але і серцево-судинну та травну. Відбувається звикання до алкалоїду (кокаїнізм). Висока токсичність обмежує використання кокаїну: його застосовують для поверхневої анастезії в офтальмології.

Чистий кокаїн майже не використовується, але на його основі було синтезовано ряд лікарських препаратів анестезуючої дії (новокаїн, лідокаїн, дикаїн, совкаїн та ін.). Ці препарати широко застосовуються для місцевого знеболювання.

Нікотин – найважливіший алкалоїд багатьох видів тютюну. Анабазин теж міститься в листках тютюну. Причому різні види відрізняються за вмістом цих алкалоїдів. У деяких переважає нікотин, в інших – анабазин. Нікотин – дуже отруйна речовина. Він діє на центральну і периферичну нервову систему. При отруєнні нікотином настає смерть від паралічу дихання.

У чистому вигляді нікотин – безбарвна масляниста рідина. Його одержують із відходів тютюнового виробництва та застосовують у сільському господарстві для боротьби з комахами-шкідниками.

Анабазин уперше був виділений не з тютюну, а із середньо-азійської рослини анабазис. Звідси його назва. Анабазин так само, як і нікотин, використовують для боротьби зі шкідниками сільськогосподарських рослин.

Лобелін отримують із різних видів лобелії. Він діє на центральну нервову систему. Лобелін і анабазин використовують для усунення нікотинового голодування при відвиканні від тютюну.

Рицинін – отрутний алкалоїд насіння рицини.

Алкалоїди маку снодійного називають опійними алкалоїдами, або опіатами. Опій – це згущений молочний сік маку.

Раніше алкалоїди виділяли з опію, а в наш час одержують з висушених рослин маку (макової соломки), що значно зменшує можливість контакту великої кількості людей з отруйними алкалоїдами опію.

Головний алкалоїд опію – морфін. Він був виділений у 1833 р., і саме з нього почалася ера алкалоїдів. Морфін є сильним болезаспокійливим засобом. Механізм знеболювальної дії морфіну пов'язаний із пригнічувальним впливом на проходження імпульсів від рецепторів до кори великих півкуль і зниженням збудливості больових центрів. Морфін гальмує нервову систему, в результаті чого створюється особливий добродушний стан – ейфорія. У зв'язку з цим розвивається пристрасть до морфіну, що призводить до наркоманії.

Морфін дуже токсичний і руйнуюче діє на людський організм. Він гальмує умовні рефлекси, підвищує тонус гладких м'язів внутрішніх органів, знижує секрецію шлунково-кишкового тракту, сповільнює обмін речовин і знижує температуру тіла. Характерним для морфіну є пригнічення дихального центру, аж до припинення дихання.

У зв'язку з високою токсичністю і небезпекою звикання в наш час застосування морфіну обмежене. Його використовують звичайно тільки при дуже сильних болях (після операцій, травм та ін.).

На основі морфіну як аналог частини його молекули, що містить діюче начало алкалоїду – групу =N –СН₃, створений синтетичний препарат промедол. Він має сильну знеболювальну дію, але не пригнічує дихальний центр.

У молочному соку маку снодійного поряд із морфіном містяться й інші опіати, що являють собою його модифікації. Найважливіші з них – кодеїн та етилморфін. Їх також одержують із морфіну синтетичним шляхом, заміщаючи функціонально активну групу –ОН, що присутня у його молекулі, відповідно метильним або етильним радикалом. Болезаспокійлива і токсична дія кодеїну і етилморфіну в 6-7 разів менша, ніж у морфіну, їх препарати використовуються в медицині найчастіше як засіб проти кашлю.

При заміщенні гідроксилів в молекулі морфіну залишками оцтової кислоти утворюється найсильніший наркотик – героїн.

У мозку людини були виявлені ділянки специфічного зв'язування морфіну та структурно близьких до нього сполук, що вказує на можливість синтезу людським організмом речовин за дією подібних морфіну. Такі речовини – «ендогенні опіати» були знайдені. Ними виявилися пентапептиди. Вони одержали назву ендорфінів. Ендорфіни проявляють таку ж знеболювальну дію, як і морфін, а деякі навіть більш сильну.

Біологічній дії опіатів перешкоджають антиморфінні препарати, наприклад налоксон, що є антагоністом морфіну і витискає його з ділянок зв'язування в мозку.

У молочному соку маку снодійного міститься ще один дуже важливий алкалоїд, що має іншу в порівнянні з морфіном хімічну природу. Це – папаверин. Його вміст в опії невеликий, усього 1 %. Папаверин знижує тонус і скорочувальну активність гладкої мускулатури, має судинорозширювальну та спазмолітичну дію, особливо на судини мозку і серця. У наш час його одержують синтетичним шляхом. На основі папаверину створені його аналоги – синтетичні препарати но-шпа і дибазол. Но-шпа має більш сильну і тривалу спазмолітичну активність, а дибазол стимулює функції спинного мозку і нормалізує артеріальний тиск.

Алкалоїди раувольфії зміїної. У коренях цієї рослини міститься цілий комплекс алкалоїдів. Їх поділяють на декілька груп. Найбільш відомою є група резерпіну та її головний алкалоїд – резерпін. Він проявляє заспокійливу дію, знижує артеріальний тиск, температуру тіла, обмін речовин. У медицині широко застосовуються як індивідуальні алкалоїди, так і їх комплекси. Алкалоїди раувольфії містяться в таких відомих препаратах, як раунатин, раувазан, кристепін тощо.

Ерголінові алкалоїди. У ріжках жита міститься ряд алкалоїдів, що одержали назву ерголінових. В основі їхньої будови лежить лізергінова кислота. З'єднуючись з однією або кількома амінокислотами, піровиноградною кислотою або аміноспиртами, вона утворює різні алкалоїди. Із ріжків жита таких алкалоїдів виділено 12. Вони застосовуються в медицині, хоча є дуже токсичними. Причому різні алкалоїди проявляють різну дію на людський організм: знижують вміст цукру в крові, викликають скорочення матки, пригнічують судинорухові та дихальні центри, підси­люють серцеві скорочення тощо.

Для одержання алкалоїдів ріжки культивують на спеціальних середовищах. Борошно, отримане із зараженого ріжками зерна, отруйне.

Ерголінові алкалоїди були знайдені й у вищих рослин, наприклад у насінні рослин з родів Rivea та Ipomea. Із суміші їх насіння мексиканці готують галюциногенне зілля.

На основі лізергінової кислоти виготовляють сильні наркотичні речовини з галюциногенними властивостями. Наприклад, LSD25 – це діетиламід лізергінової кислоти.

Кофеїн міститься в рослинах, що використовують для приготування напоїв – листках чаю, зернах кави, бобах какао. Цей алкалоїд є метильованим похідним пурину. Кофеїн підсилює серцеві скорочення, розширює судини мозку, серця, легень. При цьому відбувається перерозподіл крові в організмі на користь життєво важливих органів. Унаслідок цього зменшується почуття втоми, підвищуються можливості розумової роботи.

Протоалкалоїди

Ефедрин виділений із ряду видів ефедри. За хімічною будовою та біологічною дією він подібний до адреналіну. Ефедрин входить до складу протиастматичних препаратів: розширює бронхи і збуджує дихальний центр. Одночасно він звужує судини, підвищує артеріальний тиск, прискорює обмін речовин.

Капсаїцин міститься в плодах і насінні стручкового перцю та визначає їх пекучий смак. Розрізняють плоди перцю, що містять мало капсаїцину (солодкі сорти) і багато, до 2 % (пекучі сорти). Для медичних цілей використовуються пекучі сорти. Настойка стручкового перцю застосовується для підвищення апетиту та поліпшення травлення. У якості місцевого збудливого засобу ви­користовують перцевий пластир.

Колхіцинові алкалоїди містяться в пізноцвіті. Головними алкалоїдами цієї рослини є колхіцин і колхамін. Останній відрізняється від колхіцину тим, що в нього замісником біля азоту є метальна група замість ацетильної.

Колхіцин і колхамін мають антимітотичну активність. Колхіцин використовують для одержання поліплоїдів. Обидва препарати здатні затримувати пухлинний ріст, але частіше застосовується колхамін як менш токсичний.

Псевдоалкалоїди (терпенощні алкалоїди)

У будові псевдоалкалоїдів беруть участь терпеноїди з числом вуглецевих атомів 10, 15, 20 і 30. Це складні сполуки, молекули яких побудовані з багатьох конденсованих кілець. Вони містяться в рослинах усього декількох родин. Багато терпеноїдних алкалоїдів токсичні. Використовуються псевдоалкалоїди мало. Вони зустрічаються в глечиках жовтих, актинідії, дельфініуму, аконіту, буксу су та інших.

Прикладом псевдоалкалоїду може бути соланідин – аглікон глікоалкалоїду соланіну, що міститься в рослинах картоплі та інших пасльонових. Про нього мова йшла раніше (глікозиди).

Біосинтез алкалоїдів

Незважаючи на велику різноманітність алкалоїдів, утворення їх відбувається за рахунок однакових первинних попередників через подібні проміжні реакції.

Більшість із відомих алкалоїдів утворюються з амінокислот або їх похідних – діамінів (лізин, кадаверин, орнітин, путресцин, аргінін, фенілаланін, тирозин, триптофан, гістидин, глутамінова кислота тощо).

На перших етапах біосинтезу алкалоїдів, коли попередник має ациклічну будову, відбуваються реакції, характерні для обміну амінокислот – дезамінування, переамінування, декарбоксилювання. Особливо важливим в утворенні алкалоїдів є метилювання. Воно часто відбувається на стадії ациклічної сполуки і передує циклізації, спрямовуючи її. У молекулах алкалоїдів метилюватися можуть кисень і азот, утворюючи групи –ОСН₃ і =N–СН₃. Першим, звичайно, у молекулі метилюється кисень, а потім азот. Метильні групи переносяться за допомогою ферментів метилтрансфераз, донором –СН₃–групп частіше виступає SАМ.

Далі відбувається циклізація, а потім конденсація. Ці процеси йдуть за допомогою трьох реакцій. Дві з них – це реакції між –NН₂ і =С=O групами. У результаті утворюються зв'язки С–N, С=N або С–С. У третій реакції відбувається окисне поєднання фенольних кілець. Прикладом такого поєднання може бути молекула нікотину.

Розпад алкалоїдів може відбуватися до СO₂ з виділенням енергії. Але вважається, що частіше в рослинах їх розпад йде до утворення амінокислот, із яких вони синтезуються. Цікаво, що рослина здатна катаболізувати не тільки ендогенні алкалоїди, але й екзогенні, не характерні для даної рослини і спеціально введені до неї. До катаболізму алкалоїдів здатні навіть безалкалоїдні рослини.

Необхідно ще раз звернути увагу на роль метилювання алкалоїдів. Вона важлива не тільки для напрямку циклізації аліфатичних попередників. Метильні групи, введені до молекули алкалоїду, стабілізують її. Встановлено, що при введенні в рослину екзогенних алкалоїдів швидше розпадаються неметильовані форми. Крім того, метильовані аналоги менш токсичні, ніж алкалоїди, які не містять метильних груп. Варто згадати, наприклад, токсичність морфіну і кодеїну. Для самої рослини алкалоїди, якщо вони накопичуються у великій кількості, теж можуть бути токсичними. Очевидно, метилювання для рослини є одним із засобів інтоксикації алкалоїдів. Здійснюючи його, рослина створює значну різноманітність модифікованих форм алкалоїдів.

Функції алкалоїдів у рослині

1. Як азотисті речовини алкалоїди беруть участь в азотному обміні рослин і можуть виконувати роль:

- запасної форми азоту, накопичуючись при посиленому азотному живленні;

- транспортної форми азоту, тому що часто алкалоїди синтезуються в коренях, а потім транспортуються в листки;

- механізму знешкодження аміаку;

- резерву амінокислот, які утворюються при розпаді алкалоїдів.

2. Крім того, вони можуть регулювати рН клітинного соку, шляхом зв'язування органічних кислот з утворенням солей.

3. Алкалоїди утворюють хелати та підтримують іонний баланс у рослині.

4. Алкалоїди відіграють важливу роль у наданні стійкості рослинам до грибкових захворювань, наприклад алкалоїдні види люпину більш стійкі до фузаріозу та борошнистої роси, ніж безалкалоїдні.

5. Алкалоїди впливають на різні реакції та процеси метаболізму, наприклад, виявлено, що вони інгібують синтез білка, хлорофілу, ферменти гліколізу, гліоксилатного циклу та ін.

6. Деякі алкалоїди впливають на процеси диференціювання та органогенезу.

Дата добавления: 2014-01-04