Запрос «Алкалоид» перенаправляется сюда; о македонской фармацевтической компании см. Алкалоид (компания).
Первый изолированный алкалоид — морфин — был выделен в 1804 году из опийного мака (Papaver somniferum)
Алкало́иды (от позднелат.alkali — «щелочь» или араб.al-qali — «растительная зола» и др.-греч.εἶδος — «вид», «облик»)[1] — группа азотсодержащихорганических соединений природного происхождения (чаще всего растительного), преимущественно гетероциклических, большинство из которых обладает свойствами слабогооснования; к ним также причисляются некоторые биогенетически связанные с основными алкалоидами нейтральные[2] и даже слабокислотные соединения[3]. Аминокислоты, нуклеотиды, аминосахара и их полимеры к алкалоидам не относятся. Иногда алкалоидами называются и синтетические соединения аналогичного строения[4].
Помимо углерода, водорода и азота в молекулы алкалоидов могут входить атомысеры, реже — хлора, брома или фосфора[5]. Многие алкалоиды обладают выраженной физиологической активностью[6]. К алкалоидам относятся, например, такие вещества, как морфин, кофеин, кокаин, стрихнин, хинин и никотин. Многие алкалоиды в малых дозах оказывают лечебное действие, а в больших — ядовиты. Алкалоиды различны по своему физиологическому действию: одни из них угнетают или возбуждают нервную систему, другие парализуют нервные окончания, расширяют или сужают сосуды, третьи обладают обезболивающим действием и т. д.[7]
Граница между алкалоидами и другими азотсодержащими природными соединениями различными авторами проводится по-разному[8]. Иногда считается, что природные соединения, содержащие азот в экзоциклической позиции (мескалин, серотонин, дофамин и др.), относятся к биогенным аминам, но не к алкалоидам[9]. Другие же авторы, напротив, считают алкалоиды частным случаем аминов[10][11] или причисляют биогенные амины к алкалоидам[12].
Название «алкалоиды» (нем.Alkaloide) введено в 1819 году немецким аптекарем Карлом Мейсснером и образовано от позднелат.alkali — «щёлочь» (который, в свою очередь, происходит от арабского al qualja — «пепел растений») и др.-греч.εἶδος — «похожий», «вид». В широкое употребление термин вошёл только после публикации обзорной статьи О. Якобсена в химическом словаре Альберта Ладенбурга[13].
Единого метода назначения алкалоидам тривиальных названий не существует[14]. Во многих случаях алкалоидам присваивают названия, образуя индивидуальные названия алкалоидов присоединением суффикса «-ин» к видовым или родовым названиям алкалоидоносов. Например, атропин выделен из растения Белладонна (Atropa belladonnaL.), стрихнин получен из рвотных орешков — семян дерева Чилибуха (Strychnos nux-vomicaL.)[5]. При выделении нескольких алкалоидов из одного растения вместо суффикса «-ин» часто используются суффиксы «-идин», «-анин», «-алин», «-инин» и т. п. Такая практика привела к тому, что существует, например, не менее 86 алкалоидов, содержащих в названии корень «вин» (выделены из барвинка, лат.Vinca)[15].
Фридрих Сертюрнер, немецкий аптекарь, впервые выделивший морфин из опиума
Растения, содержащие алкалоиды, использовались человеком с древнейших времён как в лечебных, так и в рекреационных целях. Так, в Месопотамии лекарственные растения были известны уже за 2000 лет до н. э.[16] В «Одиссее» Гомера упоминается подаренное Елене египетской царицей снадобье, дарящее «забвенье бедствий». Считается, что речь шла о средстве, содержавшем опиум[17]. В I—III веках до н. э. в Китае была написана «Книга домашних растений», в которой упоминалось медицинское использование эфедры и опийного мака[18]. Листья коки использовались индейцами Южной Америки также с древних времён[19].
Экстракты растений, содержащие ядовитые алкалоиды, такие как аконитин и тубокурарин, использовались в древности для изготовления отравленных стрел[16].
Изучение алкалоидов началось в XIX веке. В 1804 году немецкий аптекарь Фридрих Сертюрнер выделил из опиума «снотворный принцип» (лат.principium somniferum), который он назвал «морфием» в честь Морфея, древнегреческого бога сновидений (современное название «морфин» принадлежит французскому физику Гей-Люссаку).
Значительный вклад в химию алкалоидов на заре её развития внесли французские исследователи Пьер Пеллетье и Жозеф Каванту, открывшие, в частности, хинин (1820) и стрихнин (1818). Также в течение нескольких последующих десятилетий были выделены ксантин (1817), атропин (1819), кофеин (1820), кониин (1827), никотин (1828), колхицин (1833), спартеин (1851), кокаин (1860) и другие алкалоиды[20].
Появление в XX веке спектроскопии и хроматографии послужило толчком к ускоренному развитию химии алкалоидов. По состоянию на 2008 год известно более 12000 алкалоидов[23].
По сравнению с большинством других классов природных соединений, класс алкалоидов отличается большим структурным многообразием. Единой классификации алкалоидов не существует[24].
Исторически первые классификации алкалоидов объединяли алкалоиды в группы по признаку происхождения из общего природного источника, например, из растений одного рода. Это было оправдано недостаточностью знаний о химическом строении алкалоидов. В настоящее время такая классификация считается во многом устаревшей[5][25].
Более современные классификации используют объединение алкалоидов в классы по признаку сходства строений углеродного скелета (индольные, изохинолиновые, пиридиновые алкалоиды и т. п.) или по биогенетическим предшественникам (орнитин, лизин, тирозин, триптофан и т. п.)[5]. Однако при использовании таких схем приходится идти на компромиссы в пограничных случаях[24]: так, никотин содержит как пиридиновое ядро, происходящее от никотиновой кислоты, так и пирролидиновое ядро от орнитина[26], и поэтому может быть отнесён к обоим классам[27].
Алкалоиды часто делят на следующие большие группы[28]:
Алкалоиды с атомом азота в гетероцикле, биогенетическими предшественниками которых являются аминокислоты. Называются также истинными алкалоидами[29]. Примерами истинных алкалоидов являются атропин, никотин, морфин. К этой группе относят также некоторые алкалоиды, содержащие, кроме азотистых гетероциклов, терпеноидные фрагменты (как эвонин[30]) или имеющие пептидную структуру (как эрготамин[31]). Пиперидиновые алкалоиды кониин и коницеин часто относят также к этой группе[32], но их предшественники не являются аминокислотами[33].
Алкалоиды с атомом азота в боковой цепи, биогенетическими предшественниками которых являются аминокислоты. Называются также протоалкалоидами[29]. Примерами являются мескалин, адреналин и эфедрин.
Псевдоалкалоиды — соединения, похожие на алкалоиды, биогенетическими предшественниками которых не являются аминокислоты[35]. К этой группе относятся, в первую очередь, терпеноидные и стероидные алкалоиды[36]. Пуриновые алкалоиды, такие как кофеин, теобромин и теофиллин, иногда относят к псевдоалкалоидам в связи со спецификой их биосинтеза[37]. Некоторые авторы относят к псевдоалкалоидам такие соединения, как эфедрин и катинон, которые, хотя и происходят от аминокислоты фенилаланина, но атом азота приобретают не от неё, а в результате реакции трансаминации[37][38].
Некоторые соединения, относимые по аналогии к тому или иному структурному классу, не имеют соответствующего элемента углеродного скелета. Так, галантамин и гомоапорфины не содержат изохинолинового ядра, но обычно относятся к изохинолиновым алкалоидам[39].
Основные классы мономерных алкалоидов перечислены в следующей таблице:
Класс
Основные группы
Основные пути биосинтеза
Представители
Алкалоиды с азотистыми гетероциклами (истинные алкалоиды)
Алкалоиды, молекулы которых содержат атомы кислорода (что справедливо для подавляющего большинства алкалоидов) при стандартных условиях, как правило, представляют собой бесцветные кристаллы. Алкалоиды, молекулы которых не содержат атомов кислорода, чаще всего являются летучими бесцветными маслянистыми жидкостями[143] (как никотин[144] или кониин[21]). Некоторые алкалоиды не являются бесцветными: так, берберин жёлтый, сангвинарин оранжевый[143].
Как правило, алкалоиды плохо растворимы в воде, но хорошо растворимы во многих органических растворителях (диэтиловом эфире, хлороформе и 1,2-дихлорэтане). Исключением является, например, кофеин, хорошо растворимый в кипящей воде[145]. При взаимодействии с кислотами алкалоиды образуют соли различной степени прочности. Соли алкалоидов, как правило, хорошо растворимы в воде и спиртах и плохо растворимы в большинстве органических растворителей, хотя известны соли, плохо растворимые в воде (сульфат хинина) и хорошо растворимые в органических растворителях (гидробромид скополамина)[143].
Большинство алкалоидов имеет горький вкус. Предполагается, что таким образом естественный отбор защитил животных от вырабатываемых растениями алкалоидов, многие из которых сильно ядовиты[146].
Алкалоиды синтезируются различными живыми организмами. Наиболее широко они распространены в высших растениях: по имеющимся оценкам, от 10 до 25 % видов высших растений содержат алкалоиды[147][148]. В прошлом термин «алкалоид» чаще всего применялся только по отношению к веществам растительного происхождения[6].
Содержание алкалоидов в растениях, как правило, не превышает нескольких процентов. Обычно концентрация невелика и составляет сотые и десятые доли процента. При содержании 1—3 % растение считается богатым алкалоидами (высокоалкалоидоносным). Только немногие растения, например, культивируемые формы хинного дерева, содержат до 15—20 % алкалоидов. Особенно богаты алкалоидами растения таких семейств, как Маковые, Паслёновые, Бобовые, Кутровые, Мареновые, Лютиковые, Логаниевые. В водорослях, грибах, мхах, папоротниках и голосеменных они встречаются сравнительно редко[150]. В большинстве растений распределение алкалоидов по тканям неравномерно. В зависимости от вида растения максимальное содержание алкалоидов может достигаться в листьях (белена чёрная), плодах или семенах (чилибуха), корнях (раувольфия змеиная) или коре (хинное дерево)[151]. В растениях алкалоиды находятся в виде солейорганических и неорганических кислот в активно растущих тканях, эпидермальных и гиподермальных клетках, в обкладках сосудистых пучков и латексных ходах. Они растворены в клеточном соке[150]. Кроме того, в разных тканях одного и того же растения могут содержаться разные алкалоиды[152], например, катарантус розовый содержит более 60 алкалоидов[150], в млечном соке мака содержится до 22 алкалоидов; по нескольку алкалоидов содержится в коре хинного дерева, в белене, белладонне, скополии[149].
Помимо растений, алкалоиды содержатся в некоторых видах грибов (псилоцибин, содержащийся в грибах рода псилоцибе) и животных (буфотенин, содержащийся в коже некоторых жаб)[14]. Биогенные амины, такие как адреналин или серотонин, играющие важную роль в организмах высших животных, сходны с алкалоидами по строению и путям биосинтеза и иногда также называются алкалоидами[153].
Кроме того, алкалоиды содержатся во многих морских организмах[154].
Ввиду большого структурного разнообразия алкалоидов не существует единого метода выделения их из природного сырья[155]. Большинство методов основаны на использовании того факта, что основания алкалоидов, как правило, хорошо растворимы в органических растворителях и плохо растворимы в воде, а соли — наоборот.
Большинство растений содержат несколько алкалоидов. При выделении алкалоидов из природного сырья сначала производится извлечение смеси алкалоидов, а затем выделение индивидуальных алкалоидов из смеси[156].
Перед извлечением алкалоидов растительное сырьё тщательно измельчается[155][157].
Чаще всего алкалоиды находятся в растительном сырьё в виде солей органических кислот[155]. При этом извлечены алкалоиды могут быть как в виде оснований, так и в виде солей[156].
При извлечении алкалоидов в виде оснований сырьё обрабатывается щелочными растворами для перевода солей алкалоидов в основания, после чего основания алкалоидов извлекаются органическими растворителями (1,2-дихлорэтан, хлороформ, диэтиловый эфир, бензол). Затем для очистки от примесей полученный раствор оснований алкалоидов обрабатывается слабым раствором кислоты, при этом алкалоиды образуют соли, нерастворимые в органических растворителях и переходящие в воду. При необходимости водный раствор солей алкалоидов снова подщелачивают и обрабатывают органическим растворителем. Процесс продолжается, пока не получен раствор смеси алкалоидов достаточной чистоты.
При извлечении алкалоидов в виде солей сырьё обрабатывается слабым раствором кислоты (например, уксусной) в воде, этаноле или метаноле. Полученный раствор подщелачивают для перевода солей алкалоидов в основания, которые извлекаются органическим растворителем (если экстракция производилась с помощью спирта, его предварительно необходимо отогнать, а остаток растворить в воде). Раствор оснований алкалоидов в органическом растворителе подвергается очистке, как указано выше[155][158].
Разделение смеси алкалоидов на компоненты производится с использованием различия их физических и химических свойств. Для этого может быть использована перегонка, разделение на основе различной растворимости алкалоидов в конкретном растворителе, разделение на основе различия в силе основности и разделение путём получения производных[159].
Биогенетическими предшественниками большинства алкалоидов являются аминокислоты: орнитин, лизин, фенилаланин, тирозин, триптофан, гистидин, аспарагиновая кислота и антраниловая кислота. Все эти аминокислоты, кроме антраниловой кислоты, являются протеиногенными[160]. Никотиновая кислота может быть синтезирована из триптофана или аспарагиновой кислоты. Пути биосинтеза алкалоидов не менее разнообразны, чем их структуры, и их невозможно объединить в общую схему[69]. Тем не менее, существует несколько характерных реакций, участвующих в биосинтезе различных классов алкалоидов[160]:
Основания Шиффа могут быть получены в результате реакции аминов с кетонами или альдегидами[161]. Данная реакция является распространённым способом формирования C=N связи[162].
При биосинтезе алкалоидов реакция образования основания может проходить также внутримолекулярно[160]. Примером может являться реакция образования Δ1-пиперидеина, происходящая при синтезе пиперидинового цикла[27]:
В реакции Манниха, помимо амина и карбонильного соединения, участвует также карбанион, играющий роль нуклеофила в процессе присоединения к иону, образованному взаимодействием амина и карбонильного соединения[162].
Реакция Манниха также может осуществляться как межмолекулярно, так и внутримолекулярно[163]. Примером внутримолекулярной реакции Манниха может служить синтез пирролизидинового ядра[164]:
Разновидностью внутримолекулярной реакции Манниха является реакция Пикте — Шпенглера — циклизация шиффовых оснований, образованных из β-фенилэтиламинов с образованием системы тетрагидроизохинолина. У растений биосинтез алкалоидов происходит всегда под действием ферментов, у животных же известны случаи неферментативного синтеза изохинолиновых алкалоидов, включающий две последовательные стадии — образование основание Шиффа из катехоламинов и альдегида и реакцию Пикте — Шпенглера. Обе эти реакции могут протекать в физиологических условиях и в отсутствии ферментов. Обычно неферментативный синтез алкалоидов происходит при нарушениях обмена веществ или интоксикациях, когда в организме имеется избыток аминов или альдегидов. Так, высокий уровень катехоламинов в мозгу человека наблюдается при шизофрении, паркинсонизме. Сопутствующие этим заболеваниям нарушения психики отчасти связывают с неферментативным синтезом изохинолиновых алкалоидов. В результате приёма алкоголя из дофамина и ацетальдегида образуется алкалоид салсолинол, который является одним из факторов развития алкогольной зависимости. [165]
Помимо описанных выше мономерных алкалоидов, существует также некоторое количество димерных (реже — тримерных, значительно реже — тетрамерных) алкалоидов, образующихся в процессе конденсации двух (трёх, четырёх) мономерных алкалоидов. Как правило, димерные алкалоиды являются результатом конденсации двух алкалоидов одинакового типа. Наиболее распространены бисиндольные алкалоиды и димерные изохинолиновые алкалоиды. Основные механизмы димеризации алкалоидов[166]:
Реакция Манниха. Примером является бисиндольный алкалоид воакамин.
Значение алкалоидов для живых организмов, их синтезирующих, до сих пор изучено недостаточно[167]. Первоначально предполагалось, что алкалоиды являются конечными продуктами метаболизмаазота у растений, как мочевина у млекопитающих. Позднее было показано, что во многих растениях содержание алкалоидов может как увеличиваться, так и уменьшаться с течением времени; таким образом, эта гипотеза была опровергнута[8].
Большинство известных функций алкалоидов относятся к защите растений от внешних воздействий. Так, например, апорфиновый алкалоид лириоденин, вырабатываемый лириодендроном тюльпановым, защищает растение от паразитических грибов. Кроме того, содержание алкалоидов в растении препятствует их поеданию насекомыми и растительноядными хордовыми, хотя животные, в свою очередь, выработали способы противодействия токсичному действию алкалоидов; некоторые из них даже используют алкалоиды в собственном метаболизме[168].
Алкалоиды имеют и эндогенное значение. Такие вещества, как серотонин, дофамин и гистамин, иногда также относимые к алкалоидам, являются важными нейромедиаторами у животных. Известна также роль алкалоидов в регулировке роста растений[169].
Медицинское применение растений-алкалоидоносов имеет давнюю историю. В XIX веке, когда первые алкалоиды были получены в чистом виде, они сразу нашли своё применение в клинической практике в качестве лекарственного средства[170]. Многие алкалоиды до сих пор применяются в медицине (чаще в виде солей), например[8][171]:
Многие синтетические и полусинтетические препараты являются структурными модификациями алкалоидов, разработанными с целью усилить или изменить основное действие препарата и ослабить нежелательные побочные эффекты[172]. Так, например, налоксон, антагонист опиоидных рецепторов, является производным содержащегося в опиуме алкалоида тебаина[173]:
До разработки широкой гаммы относительно малотоксичных синтетических пестицидов некоторые алкалоиды достаточно широко применялись в качестве инсектицидов (соли никотина и анабазина). Их применение было ограничено высокой токсичностью для людей[174].
Кроме того, существуют алкалоиды, не обладающие сильным психоактивным действием, но являющиеся прекурсорами для полусинтетических психоактивных веществ. Например, из эфедрина и псевдоэфедрина синтезируются меткатинон (эфедрон) и метамфетамин[180].
↑Малая медицинская энциклопедия. — М.: Медицинская энциклопедия. 1991—96 гг. 2. Первая медицинская помощь. — М.: Большая Российская Энциклопедия. 1994 г. 3. Энциклопедический словарь медицинских терминов. — М.: Советская энциклопедия. — 1982—1984 гг
E. Fattorusso and O. Taglialatela-Scafati. Modern Alkaloids: Structure, Isolation, Synthesis and Biology. — Wiley-VCH, 2008. — 691 с. — ISBN 978-3-527-31521-5.
Tadhg P. Begley. Encyclopedia of Chemical Biology. — Wiley, 2009. — 3188 с. — ISBN 978-0-471-75477-0.
Paul M Dewick. Medicinal Natural Products. A Biosynthetic Approach. Second Edition. — Wiley, 2002. — 515 с. — ISBN 0471496405.
Эта статья входит в число хороших статей русскоязычного раздела Рувики.
Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист.
Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Рувики. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым).