Алкалоиды — класс природных соединений¶
Алкалоиды — это группа органических соединений природного происхождения, содержащих в молекуле азот (обычно в виде аминогруппы), обладающих основными свойствами и оказывающих выраженное физиологическое действие на живые организмы. Название происходит от арабского «аль-кали» (растительная зола) и греческого «эйдос» (подобие). В современной химии алкалоидами называют преимущественно растительные соединения азотистой природы, хотя ряд представителей выделен из грибов, бактерий и животных.
¶История открытия
Первым выделенным алкалоидом считается морфин, полученный немецким фармацевтом Фридрихом Сёртюнером в 1804 году из опиума. В 1819 году Мейснер предложил термин «алкалоид» для обозначения оснований, содержащихся в растениях. В XIX веке были открыты кофеин (1820), стрихнин (1818), хинин (1820), никотин (1828), атропин (1831), папаверин (1848) и многие другие. К концу века были разработаны методы определения эмпирических формул и первые структурные формулы алкалоидов.
В России вклад в химию алкалоидов внесли А. М. Зайцев, В. В. Марковников, А. П. Ореходовский, А. Д. Томилин и другие исследователи. Особое значение имели работы по синтезу и модификации алкалоидных структур.
¶Характеристики и свойства
Алкалоиды — азотсодержащие основания. Азот в их молекулах обычно входит в состав гетероцикла (пирролидин, пиперидин, хинолин, изохинолин, индол, тропан и другие). Исключение составляют некоторые соединения, где азот находится вне цикла. Молекулярная масса большинства алкалоидов находится в диапазоне 100—400 а. е. м.
Алкалоиды, как правило, плохо растворимы в воде, но хорошо — в органических растворителях. Их соли с кислотами (гидрохлорид, сульфат, тартрат) растворимы в воде, что используется для выделения и фармацевтического применения. Большинство алкалоидов обладают горьким вкусом.
По химическому строению алкалоиды делятся на группы в зависимости от аминокислоты-предшественника и типа гетероцикла:
| Группа | Гетероцикл | Примеры |
|---|---|---|
| Производные орнитина | Пирролидин | Никотин, кокаин, пеллитерин |
| Производные лизина | Пиперидин | Пиперин, кониин, лобелин |
| Производные ниацина | Пиридин | Никотин, ареколин |
| Производные фенилаланина | Тропан | Атропин, кокаин, скополамин |
| Производные тирозина | Изохинолин | Морфин, папаверин, берберин |
| Производные триптофана | Индол | Стрихнин, резерпин, винбластин |
| Производные гистидина | Имидазол | Пилокарпин, стигмин |
| Терпеноидные | Сесквитерпен | Абсинтин |
¶Биосинтез
Биосинтез алкалоидов начинается с аминокислот — предшественников: орнитина, лизина, ниацина, фенилаланина, тирозина, триптофана и других. Ключевой стадией является декарбоксилирование аминокислот с образованием аминов, которые далее участвуют в реакциях алкилирования, окислительного сшивания, циклизации. Ферменты, участвующие в этих процессах, часто относятся к классам оксидоредуктаз, трансфераз и лиаз.
¶Распространение в природе
Алкалоиды продуцируют около 20 % видов цветковых растений, а также некоторые грибы, бактерии, морские организмы (губки, моллюски) и животные (лягушки рода Dendrobates, жуки-бомбардиры). В растениях алкалоиды выполняют защитную функцию, отпугивая фитофагов. Наиболее богаты алкалоидами семейства маковые (Papaveraceae), паслёновые (Solanaceae), бобовые (Fabaceae), мареновые (Rubiaceae), лютиковые (Ranunculaceae).
¶Применение
Алкалоиды широко применяются в медицине и фармакологии:
- Морфин — сильное обезболивающее средство, основа опиоидных анальгетиков.
- Хинин — противомалярийное средство, выделено из коры хинного дерева.
- Атропин — спазмолитик, мидриатик, антидот при отравлении фосфорорганическими соединениями.
- Кофеин — стимулятор центральной нервной системы.
- Никотин — инсектицид, фармакологический агонист никотиновых ацетилхолиновых рецепторов.
- Стрихнин — в малых дозах использовался как стимулятор, в больших — яд.
- Винкристин и винblastин — противоопухолевые средства, выделены из барвинка розового.
- Пилокарпин — применяется в офтальмологии для снижения внутриглазного давления.
- Колхицин — противоподагрическое средство, алкалоид безвременника.
Ряд алкалоидов используют в ветеринарии, сельском хозяйстве (как инсектициды) и в научных исследованиях для изучения работы нервной системы.
¶Токсичность
Многие алкалоиды высокотоксичны. Стрихнин вызывает судороги, никотин в больших дозах парализует дыхание, атропин вызывает тахикардию, галлюцинации, сухость во рту. Отравление алкалоидами возможно при употреблении растений (белладонна, вороний глаз, аконит) или передозировке лекарственных средств.
¶Классификация
По химической структуре и биогенезу алкалоиды подразделяют на:
- Истинные (нитрогенные) — содержат азот в гетероцикле (большинство известных алкалоидов).
- Протоалкалоиды — азот находится вне цикла (например, колхицин, капсаицин).
- Псевдоалкалоиды — образуются из предшественников, не относящихся к аминокислотам (кофеин, теобромин).
¶Методы выделения
Для выделения алкалоидов используют экстракцию органическими растворителями, метод кислотно-основного разделения, хроматографию (ТСХ, ВЭЖХ, ионообменную), кристаллизацию. Структуру алкалоидов устанавливают методами ЯМР-спектроскопии, масс-спектрометрии, рентгеноструктурного анализа.
¶Интересные факты
- Всего известно более 20 000 алкалоидов, ежегодно открываются десятки новых.
- Кофеин содержится не только в кофе, но и в чае, какао, коле, гуаране.
- Морфин и кодеин синтезируются растением из тирозина через промежуточное соединение — норлауданозин.
- Некоторые алкалоиды (например, резерпин) использовались для лечения гипертонии и психозов в середине XX века.
Источники:
- «Биохимия растений» / под ред. А. Т. Бабакова
- «Химия алкалоидов» / В. А. Тырин
- «Фармакогнозия» / А. Д. Томилин, Е. Б. Машковский
- Большая медицинская энциклопедия
- «Алкалоиды: химия, биосинтез, биология» / М. Ф. Билин