Alkaloidy: struktura, biosynteza, klasyfikacja i zastosowania

Alkaloidy to cząsteczki zawierające w swojej strukturze cząsteczkowej atomy azotu i węgla, które generalnie tworzą złożone pierścienie. Termin alkaloid, który po raz pierwszy zaproponował farmaceuta W. Meissner w 1819 r., Oznacza „podobny do alkaliów”.

Słowo alkalia odnosi się do zdolności cząsteczki do absorbowania jonów wodorowych (protonów) z kwasu. Alkaloidy występują jako pojedyncze cząsteczki, więc są małe i mogą absorbować jony wodoru, przekształcając je w bazę.

Niektóre popularne zasady obejmują mleko, węglan wapnia w środkach zobojętniających kwasy lub amoniak w środkach czyszczących. Alkaloidy są produkowane przez niektóre żywe istoty, zwłaszcza rośliny. Jednak rola tych cząsteczek w warzywach nie jest jasna.

Niezależnie od ich roli w roślinach, wiele alkaloidów ma zastosowanie w medycynie dla ludzi. Środki przeciwbólowe pochodzące z rośliny maku lekarskiego, takiej jak morfina, istnieją od 1805 roku. Innym przykładem jest chinina przeciwmalaryczna, którą plemiona Amazonki używają od ponad 400 lat.

Struktura

Struktury chemiczne alkaloidów są niezwykle zmienne. Na ogół alkaloid zawiera co najmniej jeden atom azotu w strukturze typu aminowego; to znaczy pochodna amoniaku zastępująca atomy wodoru grupami wodorowo-węglowymi zwanymi węglowodorami.

Ten lub inny atom azotu może być aktywny jako zasada w reakcjach kwasowo-zasadowych. Nazwa alkaloid była pierwotnie stosowana do tych substancji, ponieważ, podobnie jak nieorganiczne zasady, reagują z kwasami tworząc sole.

Większość alkaloidów ma jeden lub więcej atomów azotu jako część pierścienia atomów, często nazywanego układem cyklicznym. Nazwy alkaloidów zwykle kończą się przyrostkiem „-ina”, odwołując się do ich klasyfikacji chemicznej jako amin.

Biosynteza

Biosynteza alkaloidów w roślinach obejmuje wiele etapów metabolicznych, katalizowanych przez enzymy należące do szerokiego zakresu rodzin białek; z tego powodu drogi biosyntezy alkaloidów są znacznie złożone.

Niemniej jednak możliwe jest skomentowanie niektórych ogólników. Istnieją pewne główne gałęzie w syntezie alkaloidów, które obejmują:

Biosynteza alkaloidów trolanicznych i nikotynowych

W tej grupie alkaloidów biosynteza jest przeprowadzana ze związków L-argininy i ornityny. Podlegają one procesowi dekarboksylacji za pośrednictwem odpowiednich enzymów: dekarboksylazy argininowej i dekarboksylazy ornityny.

Produktem tych reakcji są cząsteczki putrecyny. Po innych etapach, które obejmują transfer grup metylowych, wytwarzane są pochodne nikotynowe (takie jak nikotyna) i tropikalne (takie jak atropina i skopolamina).

Biosynteza alkaloidów benzylizochinoliny

Synteza alkaloidów benzylizochinoliny zaczyna się od cząsteczek L-tyrozyny, które są dekarboksylowane przez enzym dekarboksylazę tyrozynową, aby uzyskać cząsteczki tyraminy.

Enzym syntaza norklaurynowa wykorzystuje tyraminę wytworzoną w poprzednim etapie i L-DOPA do tworzenia cząsteczek noroklauryny; przechodzą kolejną serię złożonych reakcji, które powodują powstanie alkaloidów berberyny, morfiny i kodeiny.

Biosynteza alkaloidów indolu terpenowego

Ta grupa alkaloidów jest syntetyzowana z dwóch dróg: jednej, która zaczyna się od L-tryptofanu, a druga od geraniolu. Produktami tych dróg są tryptamina i secolaganin, cząsteczki te są substratem enzymu syntazy estrectosidina, który katalizuje syntezę strictozydyny.

Z estrectosidina wytwarzane są różne indolowe alkaloidy terpénicos, takie jak ajmalicina, catarantina, serpentina i vinblastina; ten ostatni był stosowany w leczeniu choroby Hodgkina.

W dziedzinie biochemii strukturalnej, biologii molekularnej i komórkowej oraz zastosowań biotechnologicznych charakterystyka nowych biosyntetycznych enzymów alkaloidowych była przedmiotem badań w ostatnich latach.

Klasyfikacja

Ze względu na ich różnorodność i złożoność strukturalną alkaloidy można klasyfikować na różne sposoby:

W zależności od pochodzenia biosyntetycznego

W zależności od pochodzenia biosyntetycznego alkaloidy są podzielone na trzy główne grupy:

Prawdziwe alkaloidy

Są to te, które pochodzą z aminokwasów i mają atom azotu jako część pierścienia heterocyklicznego. Na przykład: higrin, kokaina i fizostygmina.

Protoalkaloidy

Pochodzą one również z aminokwasów, ale azot nie jest częścią pierścienia heterocyklicznego. Na przykład: efedryna i kolchicyna.

Pseudoalkaloidy

Są to alkaloidy, które nie pochodzą z aminokwasów, a azot jest częścią struktury heterocyklicznej. Na przykład: akonityna (alkaloid terpenowy) i solanidyna (alkaloid steroidowy).

Według swojego biogenetycznego poprzednika

W tej klasyfikacji alkaloidy są grupowane w zależności od cząsteczki, z której rozpoczyna się ich synteza. Tak więc alkaloidy pochodzące z:

- L-fenyloalanina.

- L-tyrozyna.

- L-tryptofan.

- L-Ornityna.

- L-lizyna.

- L-Histydyna.

- Kwas nikotynowy.

- Kwas antranilowy.

- Podstawy pyrrusowe.

- Metabolizm terpenów.

Według jego struktury chemicznej lub podstawowego jądra

- pirolidyna.

- Pirydyno-pirolidyna.

- Izochinolina.

- Imidazol.

- Piperydyna.

- pirydyna-piperydyna.

- Chinolina.

- Purina.

- Tropan.

- Indol .

Używa

Alkaloidy mają wiele zastosowań i zastosowań, zarówno w przyrodzie, jak iw społeczeństwie. W medycynie stosowanie alkaloidów opiera się na efektach fizjologicznych, które powodują na ciele, co jest miarą toksyczności związku.

Będąc cząsteczkami organicznymi wytwarzanymi przez żywe istoty, alkaloidy mają strukturalną zdolność do interakcji z systemami biologicznymi i bezpośrednio wpływają na fizjologię organizmu. Ta właściwość może wydawać się niebezpieczna, ale użycie alkaloidów w kontrolowany sposób jest bardzo przydatne.

Pomimo swojej toksyczności niektóre alkaloidy są przydatne, gdy są stosowane w prawidłowych dawkach. Nadmiar dawki może spowodować uszkodzenie i być uważany za trujący dla organizmu.

Alkaloidy są otrzymywane głównie z krzewów i ziół. Można je znaleźć w różnych częściach rośliny, takich jak liście, łodyga, korzenie itp.

Alkaloidy mogą być stosowane jako leki

Niektóre alkaloidy mają znaczącą aktywność farmakologiczną. Te fizjologiczne efekty sprawiają, że są cenne jako leki do leczenia niektórych poważnych zaburzeń.

Na przykład Vinca roseus winkrystyna jest stosowana jako lek przeciwnowotworowy, a efedryna distachya efedryna jest stosowana do regulacji ciśnienia krwi.

Inne przykłady obejmują curarinę, która występuje w kurare i jest silnym środkiem zwiotczającym mięśnie; atropina, która służy do rozszerzania źrenic; kodeina, która jest stosowana jako środek tłumiący kaszel; i alkaloidy sporyszu, które są używane do łagodzenia migreny, wśród wielu innych.

Alkaloidy mogą być stosowane jako narkotyki

Wiele substancji psychotropowych, które działają na centralny układ nerwowy, to alkaloidy. Na przykład morfina opium ( Papaver somniferum ) jest uważana za lek i środek przeciwbólowy. Dietyloamid kwasu Lysergic, lepiej znany jako LSD, jest alkaloidem i lekiem psychedelicznym.

Te narkotyki są używane od starożytności jako instrumenty podniecenia psychicznego i euforii, chociaż według współczesnej medycyny są uważane za szkodliwe.

Alkaloidy mogą być stosowane jako pestycydy i repelenty

Większość pestycydów i naturalnych repelentów pochodzi z roślin, gdzie pełnią swoją funkcję jako część własnego systemu obronnego rośliny przed owadami, grzybami lub bakteriami, które na nie wpływają. Związki te są na ogół alkaloidami.

Jak wspomniano powyżej, te alkaloidy są z natury toksyczne, chociaż ta właściwość zależy w dużej mierze od stężenia.

Na przykład pyretryna jest stosowana jako środek odstraszający owady w stężeniu śmiertelnym dla komarów, ale nie dla ludzi.

Alkaloidy mogą być wykorzystywane w badaniach naukowych

Ze względu na specyficzne działanie na organizm alkaloidy są szeroko stosowane w badaniach naukowych. Na przykład, alkaloid atropina może powodować rozszerzenie źrenicy.

Następnie, aby ocenić, czy nowa substancja ma podobne działanie lub przeciwne efekty, porównuje się ją z efektem atropiny.

Niektóre alkaloidy są badane z dużym zainteresowaniem ze względu na ich właściwości przeciwnowotworowe, takie jak winblastyna i winkrystyna.

Inne ważne alkaloidy w badaniach naukowych obejmują między innymi chininę, kodeinę, nikotynę, morfinę, skopolaminę i rezerpinę.