ALKALOIDY: BUDOWA, BIOSYNTEZA, KLASYFIKACJA I ZASTOSOWANIA - BIOLOGIA - 2026

W alkaloidy są cząsteczki zawierające atomy węgla i azotu, węgla w swojej strukturze cząsteczkowej, która zasadniczo tworzy kompleksy pierścieni. Termin alkaloid, który został po raz pierwszy zaproponowany przez farmaceutę W. Meissnera w 1819 roku, oznacza „podobny do zasady”.

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

Biosynteza alkaloidów

Niektóre powszechne zasady obejmują mleko, węglan wapnia w środkach zobojętniających kwas lub amoniak w środkach czyszczących. Alkaloidy są wytwarzane przez niektóre żywe istoty, zwłaszcza rośliny. Jednak rola tych cząsteczek w roślinach nie jest jasna.

Niezależnie od ich roli w roślinach, wiele alkaloidów ma zastosowanie w medycynie dla ludzi. Środki przeciwbólowe pochodzące z maku, takie jak morfina, istnieją już od 1805 r. Innym przykładem jest chinina przeciwmalaryczna, która jest stosowana przez plemiona Amazonii od ponad 400 lat.

Papaver somniferum lub mak

Struktura

Struktury chemiczne alkaloidów są niezwykle zróżnicowane. Zasadniczo alkaloid zawiera co najmniej jeden atom azotu o strukturze podobnej do aminy; to znaczy pochodna amoniaku przez zastąpienie atomów wodoru grupami wodór-węgiel zwanymi węglowodorami.

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

Większość alkaloidów ma jeden lub więcej atomów azotu jako część pierścienia atomów, często nazywanego układem pierścieni. Nazwy alkaloidów zazwyczaj kończą się przyrostkiem „-ina”, co jest odniesieniem do ich klasyfikacji chemicznej jako amin.

Biosynteza

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

Można jednak odnieść się do pewnych ogólników. Istnieje kilka głównych gałęzi syntezy alkaloidów, w tym:

Biosynteza tropanu i alkaloidów nikotynowych

W tej grupie alkaloidów biosynteza prowadzona jest ze związków L-argininy i ornityny. Podlegają one procesowi dekarboksylacji, w którym pośredniczą odpowiednie enzymy: dekarboksylaza argininowa i dekarboksylaza ornityny.

Produktem tych reakcji są cząsteczki putrecyny. Po innych etapach, w tym przeniesieniu grup metylowych, powstają pochodne nikotynowe (takie jak nikotyna) i pochodne tropanu (takie jak atropina i skopolamina).

Biosynteza alkaloidów benzyloizochinolinowych

Synteza alkaloidów benzyloizochinolinowych rozpoczyna się od cząsteczek L-tyrozyny, które są dekarboksylowane przez enzym dekarboksylazę tyrozynową, dając początek cząsteczkom tyraminy.

Enzym syntaza norkoklauryny wykorzystuje tyraminę wytworzoną w poprzednim etapie i L-DOPA do tworzenia cząsteczek norkoklauryny; podlegają kolejnej serii złożonych reakcji, w wyniku których powstają alkaloidy: berberyna, morfina i kodeina.

Biosynteza terpenowych alkaloidów indolowych

Ta grupa alkaloidów jest syntetyzowana dwoma drogami: jedną, która zaczyna się od L-tryptofanu, a drugą z geraniolu. Produkty tych szlaków to tryptamina i sekolaganina, te cząsteczki są substratem dla enzymu syntazy strektozydyny, który katalizuje syntezę stricrozydyny.

Ze strektozydyny wytwarzane są różne terpenowe alkaloidy indolowe, takie jak ajmalicyna, katarantyna, serpentyna i winblastyna; ten ostatni był stosowany w leczeniu choroby Hodgkina.

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

Klasyfikacja

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

Zgodnie z jego biosyntetycznym pochodzeniem

Zgodnie z ich biosyntetycznym pochodzeniem alkaloidy dzieli się na trzy duże grupy:

Prawdziwe alkaloidy

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

Protoalkaloidy

Pochodzą 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).

Zgodnie z jego biogenetycznym prekursorem

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

- L-fenyloalanina.

- L-tyrozyna.

- L-Tryptofan.

- L-ornityna.

- L-lizyna.

- L-histydyna.

- Kwas nikotynowy.

- Kwas antranilowy.

- Bazy w kolorze fioletowym.

- Metabolizm terpenowy.

Zgodnie z jego strukturą chemiczną lub podstawowym jądrem

- Pirolidyna.

- Pirydyna-pirolidyna.

- Izochinolina.

- imidazol.

- Piperydyna.

- Pirydyna-Piperydyna.

- chinolina.

- Purina.

- Tropane.

- Indole .

Aplikacje

Alkaloidy mają wiele zastosowań i zastosowań, zarówno w przyrodzie, jak iw społeczeństwie. W medycynie stosowanie alkaloidów opiera się na fizjologicznych skutkach, jakie wywołują w organizmie, co jest miarą toksyczności związku.

Będąc organicznymi cząsteczkami 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 pomocne, gdy są stosowane w odpowiednich dawkach. Nadmiar dawki może spowodować uszkodzenie i zostać uznany za trujący dla organizmu.

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

Alkaloidy można stosować jako leki

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

Na przykład: Winkrystyna z Vinca roseus jest stosowana jako lek przeciwnowotworowy, a efedryna z Ephedra distachya służy do regulacji ciśnienia krwi.

Inne przykłady obejmują curarina, która znajduje się w kurarze i jest silnym środkiem zwiotczającym mięśnie; atropina, która służy do rozszerzania źrenic; kodeina, która jest stosowana jako środek przeciwkaszlowy; oraz alkaloidy sporyszu, które są stosowane między innymi w łagodzeniu migrenowych bólów głowy.

Alkaloidy można stosować jako narkotyki

Wiele substancji psychotropowych działających na ośrodkowy układ nerwowy to alkaloidy. Na przykład morfina z opium (Papaver somniferum) jest uważana za lek i środek przeciwbólowy. Dietyloamid kwasu lizerginowego, lepiej znany jako LSD, jest alkaloidem i lekiem psychodelicznym.

Narkotyki te były używane od czasów starożytnych jako instrumenty podniecenia umysłowego i euforii, chociaż współczesna medycyna uważa je za szkodliwe.

Alkaloidy można stosować jako pestycydy i repelenty

Większość naturalnych pestycydów i repelentów pochodzi z roślin, gdzie pełnią one swoją funkcję jako część własnego systemu obronnego rośliny przed szkodliwymi owadami, grzybami lub bakteriami. Te związki są na ogół alkaloidami.

Jak wspomniano powyżej, te alkaloidy są z natury toksyczne, chociaż ta właściwość jest silnie zależna od stężenia.

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

Alkaloidy można stosować w badaniach naukowych

Ze względu na ich specyficzny wpływ na organizm alkaloidy są szeroko stosowane w badaniach naukowych. Na przykład alkaloid atropina może powodować rozszerzenie źrenicy.

Tak więc, aby ocenić, czy nowa substancja ma podobne lub przeciwne skutki, 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 to między innymi chinina, kodeina, nikotyna, morfina, skopolamina i rezerpina.

Bibliografia

1. Cordell, G. (2003). The Alkaloids: Chemistry and Biology, tom 60 (1st ed.). Elsevier.
2. De Luca, V., & St Pierre, B. (2000). Biologia komórkowa i rozwojowa biosyntezy alkaloidów. Trends in Plant Science, 5 (4), 168–173.
3. Facchini, PJPJ (2001). Biosynteza alkaloidów w roślinach: biochemia, biologia komórki, regulacja molekularna i zastosowania w inżynierii metabolicznej. Annual Review of Plant Biology, 52 (1), 29–66.
4. Kutchan, TM (1995). Biosynteza alkaloidów Podstawy inżynierii metabolicznej roślin leczniczych. The Plant Cell Online, 7 (7), 1059–1070.
5. Pelletier, S. (1983). Alkaloids: Chemical and Biological Perspectives, tom 11 (1 ^st ). Wiley.
6. Roberts, M. (2013). Alkaloidy: biochemia, ekologia i zastosowania medyczne. Springer Science & Business Media.
7. Wenkert, E. (1959). Biosynteza alkaloidów. EXPERIENTIA, XV (5), 165–204.
8. Ziegler, J. i Facchini, PJ (2008). Biosynteza alkaloidów: metabolizm i handel. Annual Review of Plant Biology, 59 (1), 735–769.