Алкалоиды

Алкалоиды — это группа азотсодержащих органических соединений природного происхождения, преимущественно растительного, обладающих выраженной физиологической активностью. Большинство алкалоидов являются гетероциклическими основаниями и проявляют щелочные свойства, что и дало им название (от араб. «аль-кали» — щёлочь и греч. «eidos» — вид). Алкалоиды широко распространены в мире растений, реже встречаются в грибах, микроорганизмах и животных. Они играют важную роль в метаболизме растений, а для человека имеют огромное значение как лекарственные средства, яды и психоактивные вещества.

История открытия и изучения

Использование растений, содержащих алкалоиды, известно с глубокой древности. Описания мака снотворного, белены, красавки и других растений встречаются в трудах античных врачей — Гиппократа, Диоскорида и Плиния Старшего. Однако выделение чистых алкалоидов стало возможным лишь с развитием химии в конце XVIII — начале XIX века.

Первым выделенным алкалоидом считается морфин, полученный немецким аптекарем Фридрихом Сертюрнером в 1804 году из опийного мака. Сертюрнер установил, что именно морфин является основным действующим началом опия, и назвал его в честь Морфея, бога сновидений. В 1819 году французский химик Пьер-Жозеф Пеллетье выделил стрихнин из семян рвотного ореха (чилибухи), а в 1820 году — хинин из коры хинного дерева. В 1828 году был открыт никотин из табака, а в 1832 году — атропин из красавки.

Термин «алкалоид» был предложен в 1819 году немецким фармацевтом Карлом Майсснером. К концу XIX века были выделены и идентифицированы десятки алкалоидов, а в XX веке, с развитием органической химии и спектроскопии, началось систематическое изучение их структуры, свойств и биосинтеза. В настоящее время известно более 10 000 различных алкалоидов, и их число продолжает расти.

Классификация

Алкалоиды классифицируют по нескольким признакам: химическому строению, биогенетическому происхождению и фармакологическому действию.

По химическому строению

Наиболее распространена классификация, основанная на структуре гетероциклического ядра, содержащего атом азота:

• Пиридиновые и пиперидиновые алкалоиды: никотин, анабазин, кониин (яд болиголова).
• Тропановые алкалоиды: атропин, гиосциамин, скополамин (содержатся в красавке, белене, дурмане).
• Изохинолиновые алкалоиды: морфин, кодеин, папаверин (опий), берберин (барбарис), эметин (ипекакуана).
• Хинолиновые алкалоиды: хинин, хинидин (кора хинного дерева).
• Индо́льные алкалоиды: стрихнин, бруцин, резерпин, йохимбин, серотонин, мелатонин, алкалоиды спорыньи (эрготамин, эргометрин).
• Пуриновые алкалоиды: кофеин, теобромин, теофиллин (содержатся в кофе, чае, какао).
• Имидазольные алкалоиды: пилокарпин (листья пилокарпуса).
• Стероидные алкалоиды: соланин (картофель, помидоры), томатин (томаты), вератрин (чемерица).
• Алкалоиды с азотом в боковой цепи (протоалкалоиды): эфедрин (эфедра), колхицин (безвременник), капсаицин (перец чили).

По биогенетическому происхождению

Эта классификация основана на аминокислотах-предшественниках, из которых в растениях синтезируются алкалоиды:

• Орнитиновые алкалоиды: тропановые (атропин, кокаин).
• Лизиновые алкалоиды: пиперидиновые (кониин, анабазин).
• Фенилаланиновые и тирозиновые алкалоиды: изохинолиновые (морфин, папаверин).
• Триптофановые алкалоиды: индольные (стрихнин, резерпин, серотонин).
• Гистидиновые алкалоиды: имидазольные (пилокарпин).

По фармакологическому действию

• Анальгетики (обезболивающие): морфин, кодеин.
• Спазмолитики: папаверин, атропин.
• М-холиноблокаторы: атропин, скополамин.
• Н-холиноблокаторы (ганглиоблокаторы, курареподобные): тубокурарин, пахикарпин.
• Адреномиметики: эфедрин.
• Сердечные гликозиды (не являются алкалоидами, но часто упоминаются вместе): наперстянка.
• Противомалярийные: хинин.
• Противоопухолевые: винбластин, винкристин (барвинок розовый), колхицин.
• Психостимуляторы: кофеин, никотин, кокаин.
• Галлюциногены: мескалин (кактус пейот), псилоцибин (псилоцибе), лизергиновая кислота (ЛСД — синтетическое производное алкалоидов спорыньи).

Физико-химические свойства

Большинство алкалоидов — твёрдые кристаллические вещества, реже жидкости (никотин, кониин). Они бесцветны, оптически активны, имеют характерный горький вкус. Алкалоиды плохо растворимы в воде, но хорошо — в органических растворителях (этанол, хлороформ, эфир). С кислотами они образуют соли, которые, напротив, хорошо растворимы в воде. Это свойство используется для выделения и очистки алкалоидов из растительного сырья.

Биологическая роль в растениях

Роль алкалоидов в растениях до конца не выяснена, но существует несколько гипотез:

• Защитная функция: алкалоиды (например, никотин, стрихнин, кофеин) токсичны для многих насекомых, травоядных животных и микроорганизмов, защищая растение от поедания и инфекций.
• Регуляция роста: некоторые алкалоиды могут влиять на деление и растяжение клеток, прорастание семян.
• Запас азота: алкалоиды могут служить резервным источником азота для растения.
• Аллелопатия: выделяясь в почву, алкалоиды могут подавлять рост конкурирующих растений.

Распространение в природе

Алкалоиды встречаются примерно у 20% видов высших растений. Особенно богаты ими семейства:

• Маковые (Papaveraceae): опийный мак (морфин, кодеин, папаверин).
• Паслёновые (Solanaceae): красавка (атропин), белена, дурман, табак (никотин), картофель (соланин).
• Лютиковые (Ranunculaceae): аконит (аконитин), живокость.
• Мареновые (Rubiaceae): хинное дерево (хинин), ипекакуана (эметин).
• Кутровые (Apocynaceae): барвинок (винбластин), раувольфия (резерпин).
• Бобовые (Fabaceae): софора, термопсис, люпин (люпинин).
• Логаниевые (Loganiaceae): чилибуха (стрихнин, бруцин).

Встречаются алкалоиды и в грибах (например, алкалоиды спорыньи, псилоцибин), в микроорганизмах (например, сакситоксин — нейротоксин, вырабатываемый цианобактериями) и в животных (например, саламандрин — яд огненной саламандры, буфотенин — яд жаб).

Применение

Медицина

Алкалоиды являются основой многих лекарственных препаратов. Их применение обусловлено разнообразным фармакологическим действием:

• Морфин — сильное обезболивающее средство, применяется при травмах, онкологических заболеваниях, инфаркте миокарда. Относится к наркотическим анальгетикам, его оборот в России строго контролируется.
• Кодеин — противокашлевое и обезболивающее средство.
• Папаверин — спазмолитик, применяется при гипертонии, стенокардии, спазмах сосудов головного мозга.
• Атропин — снимает спазмы гладкой мускулатуры, расширяет зрачок, применяется при язвенной болезни желудка, астме, отравлениях фосфорорганическими соединениями.
• Хинин — первое эффективное средство для лечения малярии.
• Резерпин — гипотензивное средство, применяется при гипертонии.
• Винбластин и винкристин — противоопухолевые препараты, используются в химиотерапии.
• Эфедрин — бронхолитик, сосудосуживающее средство, применяется при астме, насморке.
• Кофеин — психостимулятор, входит в состав многих лекарств от головной боли и для повышения работоспособности.

Сельское хозяйство

Некоторые алкалоиды (например, никотин, анабазин) используются в качестве инсектицидов. Однако из-за высокой токсичности для человека их применение ограничено.

Психостимуляторы и наркотические вещества

Ряд алкалоидов обладает психоактивным действием и используется рекреационно, что привело к их запрету или строгому контролю во многих странах, включая Россию. К ним относятся:

• Никотин — содержится в табаке, вызывает сильную зависимость. В России действует антитабачный закон, ограничивающий курение в общественных местах и рекламу табачных изделий.
• Кокаин — мощный психостимулятор, извлекаемый из листьев коки. В России запрещён к обороту.
• Морфин и героин (диацетилморфин, полусинтетический опиоид) — наркотические анальгетики, вызывают сильную зависимость. В России запрещены.
• Псилоцибин — галлюциноген, содержащийся в некоторых грибах. В России запрещён.
• Мескалин — галлюциноген, содержащийся в кактусах. В России запрещён.

Токсичность и безопасность

Многие алкалоиды являются сильными ядами. Смертельные дозы для человека некоторых из них составляют миллиграммы (стрихнин, аконитин, тетродотоксин). Отравления алкалоидами проявляются поражением нервной системы, сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта. При работе с алкалоидами в лабораториях и на производстве необходимо соблюдать строгие меры безопасности. В России оборот многих алкалоидов (морфин, кодеин, кокаин, эфедрин в больших количествах) регулируется законодательством о наркотических средствах и психотропных веществах.

Интересные факты

• Самым горьким веществом, известным человеку, является алкалоид бруцин, содержащийся в чилибухе. Он в 1000 раз горьче хинина.
• Кофеин является самым потребляемым психоактивным веществом в мире. Он содержится не только в кофе и чае, но и в какао, мате, гуаране, коле.
• Соланин, содержащийся в позеленевшем картофеле, может вызвать отравление. Его концентрация повышается при длительном хранении на свету.
• Колхицин, алкалоид безвременника, используется для лечения подагры, но в больших дозах смертельно ядовит. Он также используется в генетике для удвоения числа хромосом у растений.
• Хинин был первым эффективным средством против малярии и сыграл огромную роль в колонизации тропических регионов. Его синтез был осуществлён лишь в 1944 году.

Источники

1. Орехов А. П. «Химия алкалоидов». — М.: Издательство Академии наук СССР, 1955.
2. Племенков В. В. «Введение в химию природных соединений». — Казань, 2001.
3. Блинова К. Ф. и др. «Ботанико-фармакогностический словарь». — М.: Высшая школа, 1990.
4. Машковский М. Д. «Лекарственные средства». — 16-е изд. — М.: Новая волна, 2012.
5. «Фармацевтическая химия» / Под ред. А. П. Арзамасцева. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2006.
6. «Большая российская энциклопедия», статья «Алкалоиды».