План: Понятие об алкалоидах История изучения алкалоидов Распространение алкалоидов в растительном мире Факторы, влияющие на накопление алкалоидов
Вид материала | Лекция |
- Вопросы к коллоквиуму по теме: Лекарственные растения и сырье, содержащие алкалоиды, 11.04kb.
- Задачи изучения дисциплины, 18.45kb.
- Изучение алкалоидов маклейи мелкоплодной в качестве антисептических агентов в рецептурах, 60.07kb.
- Особенности накопления алкалоидов и микроэлементов в чемерицах Восточного Забайкалья, 261.35kb.
- Биологически активная добавка "Душевный чай" 20 пак, 55.12kb.
- Лр и лрс, содержащие дубильные вещества (танниды), 196.09kb.
- Лекарственные растения и сырье, содержащие сердечные (кардиотонические) гликозиды, 226.62kb.
- Учебная программа Intel® Обучение для будущего Шаблон визитной карточки проекта Щелкните, 203.93kb.
- План финансового оздоровления банка, 521.59kb.
- Кумарины и хромоны, 186.47kb.
Лекция: «ЛР И ЛРС, СОДЕРЖАЩИЕ АЛКАЛОИДЫ».
План:
- Понятие об алкалоидах
- История изучения алкалоидов
- Распространение алкалоидов в растительном мире
4. Факторы, влияющие на накопление алкалоидов.
5. Биологическая роль алкалоидов.
6. Биосинтез алкалоидов
Алкалоиды - это природные азотсодержащие органические соединения основного характера, образующиеся в растительных организмах, имеющие сложный состав и обладающие сильным физиологическим действием.
Большинство их относится к соединениям с гетероциклическим атомом азота в кольце, реже азот находится в боковой цепи.
Основные свойства, характерные для этих соединений, обусловили их название, которое было предложено Мейснером в 1819 году.
В переводе термин "алкалоид" означает щелочеподобный (от араб. "alkali" - щелочь и греч. "eidos" - подобный). Подобно щелочам, алкалоиды образуют с кислотами соли.
Существуют природные соединения такие, как
метиламин, триметиламин и другие простые амины,
а также аминокислоты, обладающие выраженным основным характером, но к алкалоидам не относятся.
Протеиногенные амины, такие как тирамин и стахиндрин рассматриваются как переходные соединения от простых азотсодержащих к собственно алкалоидам.
Среди природных биологически активных веществ алкалоиды являются основной группой, из которой современная медицина получила большое количество лекарственных средств.
В Х1Х веке профессор Шацкий Е.А. сказал, что «открытие алкалоидов, последовавшее в начале нынешнего столетия, имело для медицины такое же значение, как открытие железа для мировой культуры».
История изучения алкалоидов.
В народной медицине алкалоиды применялись издавна. В настоящее время открыто около 10 000 алкалоидов.
Более 400 лет известны противомалярийные свойства коры хинного дерева. Отваром этой коры была вылечена королева Перу Чин-Чон от малярии, в честь которой это растение получило название Cinchona succirubra – цинхона красносоковая.
Первые исследования в области изучения алкалоидов относятся к началу XIX века. В 1806 году немецкий аптекарь Сертюрнер выделил в чистом виде и изучил снотворное действие алкалоида, названного им «морфин» (в честь греческого бога сна Морфия).
Это открытие имело революционное значение для науки, так как, оказалось, что в растениях могут содержаться вещества не только кислого, нейтрального, но и основного характера.
Большой вклад в изучение алкалоидов внесли русские ученые. Так профессор Ф.И. Гизе (Харьковский университет) из коры хинного дерева выделил в чистом виде хинин. В Европе это открытие осталось неизвестным.
Несколько позднее Пелетье и Кавенту (Франция) повторно открыли хинин и доказали, что он является основным действующим веществом коры хинного дерева. Эти ученые открыли алкалоиды, которые получили названия «стрихнин» и «бруцин».
За открытие хинина Пелетье и Кавенту во Франции поставлен памятник.
«Отец» химии алкалоидов Г.Драгендорф, профессор Юрьевского (г.Тарту) университета (Россия) изучил химические свойства алкалоидов и разработал методы их обнаружения и анализа.
До сих пор «Реактив Драгендорфа» ( калия тетрайодовисмутат - К[ВiI4]) широко используется при анализе алкалоидов.
Установление структуры алкалоидов стало возможным только на основе теории химического строения, которую предложил А.М.Бутлеров (Россия). Ученик Бутлерова академик А.М.Вишнеградский изучал строение алкалоидов - производных пиридина и хинолина.
В связи с началом 1-й мировой войны потребовалось большое количество обезболивающих и противошоковых препаратов.
А.М.Родионов и А.Е.Чичебабин (Россия) в 1914 году разработали промышленный способ получения алкалоидов из опия. Они являются основоположниками химико-фармацевтической промышленности в России.
Огромная заслуга в изучении алкалоидов принадлежит А.П.Орехову организовавшему при ВНИХФИ (г.Москва) отдел, который занимался изучением алкалоидов. За 10 лет (1928-1939 г.г.) этим отделом было открыто и изучено около 100 новых алкалоидов. Орехов создал новое комплексное направление в науке, которое включает в себя
поиск алкалоидоносных растений,
разработку методов анализа,
изучение фармакологического действия и
промышленный выпуск препаратов на основе алкалоидов.
Монография А.П.Орехова «Химия алкалоидов» (1938 г.) не потеряла своего значения и в настоящее время.
Исследования А.П.Орехова продолжили его ученики:
С.Ю.Юнусов, А.М.Рабинович, А.С.Садыков и другие.
Так, С.Ю.Юнусов возглавил Институт химии растительных веществ Академии наук Узбекистана. В этом институте изучены многие растения азиатской флоры (эфедра хвощевая и другие)
Изучением алкалоидов занимаются ученые и в учебных институтах, таких как в Пятигорской фармацевтической академии под руководством профессора Д.А.Муравьевой ведутся обширные исследования лекарственной флоры Кавказа. Детально изучены растения из рода Крестовник (Senecio) и их алкалоиды (платифиллин и сарацин).
Иследования алкалоидов проводятся и зарубежными учеными - в Японии, Канаде, Англии, Индонезии, Индии, Бирме.
Распространение алкалоидов в растительном мире.
Растения, содержащие алкалоиды составляют примерно 10 % всей мировой флоры.
Профессор Соколов В.С., обобщил сведения об алкалоидоносных растениях и все семейства, содержащие алкалоидоносные виды, разделил на 3 группы:
1 группа – семейства, насчитывающие не менее 20 % родов, имеющих алкалоидоносные виды растений. Такие семейства Соколов предложил называть высокоалкалоидными.
2 группа – семейства, в которых обнаружены от 10 до 20 % родов, имеющих алкалоидоносные виды растений. Эти семейства – среднеалкалоидоносные.
3 группа – семейства, в которых имеются от 1 до 10 % родов с алкалоидоносными видами растений. Такие семейства называются малоалкалоидоносными.
Большинство алкалоидов обнаружено среди класса двудольных. Среди однодольных они встречаются реже.
В растительном мире алкалоиды распределены неравномерно.
В низших растениях их мало. Встречаются в семействе плауновых (плаун-баранец).
Папоротники и хвойные почти не имеют алкалоидоносных видов.
У злаков и осоковых растений встречаются редко.
Наиболее широко алкалоиды распространены в покрытосеменных растениях (Angiospermae).
Особенно богаты алкалоидами растения семейств:
Маковые (Рараvегасеае), Пасленовые (Solanacеае), Бобовые (FаЬасеае), Кутровые (Аросупасеае), Мареновые (Rubiaceae), Лютиковые (Ranuncu1асеае), Логаниевые (Loganiасеае).
В водорослях (А1gае), грибах (Fungi), мхах (Вгуорhуtа), голосеменных (Gуmenospermае) алкалоиды встречаются реже.
В растениях алкалоиды находятся
в виде солей органических и неорганических кислот (лимонной, щавелевой, малоновой, уксусной, фосфорной),
растворенных в клеточном соке.
Для мака снотворного характерна меконовая кислота,
а для хинной коры - хинная кислота.
Они накапливаются в листьях, плодах, семенах, подземных органах.
Как правило, растение содержит не один, а несколько алкалоидов (катарантус розовый - более 60).
Различные части растения могут содержать разные алкалоиды (термопсис ланцетный: семена - цитизин, трава - термопсин, пахикарпин).
Обычно концентрация алкалоидов в растении невелика и составляет 0,01–1%.
Ели в растении накапливается 1-3% алкалоидов, оно считается высоко-алкалоидным.
Некоторые культивируемые растения накапливают до 15-20% алкалоидов (хинное дерево).
Часто родственные друг другу растения содержат алкалоиды,
близкие по своему строению, образуя естественную группу. Например, в растениях 7 близких между собой родов семейства пасленовых содержится группа тропановых алкалоидов.
Но иногда из двух близких в систематическом отношении видов один может быть богат алкалоидами, а другой или их совершенно не содержит, или содержит алкалоиды иного строения.
В растениях алкалоиды находятся в клеточном соке в растворенном виде.
У некоторых растений алкалоиды содержатся во всех органах (красавка обыкновенная и кавказская), у большинства они преобладают в каком-либо одном органе.
Часто у одного растения в разных органах имеется различное число алкалоидов, некоторые органы могут быть безалкалоидными, например, мак опийный во всех органах, кроме семян, содержит алкалоиды.
Обычно в растении встречается несколько алкалоидов:
в опии, например, 26 алкалоидов,
в корнях раувольфии - 35.
Редко присутствует в растении один алкалоид.
Факторы, влияющие на накопление алкалоидов.
1. Обычно богаты алкалоидами растения влажного тропического климата. Теплая погода способствует повышению содержания в растениях алкалоидов, холодная - тормозит, а при заморозках алкалоиды в растении не накапливаются.
Например, на Кавказе надземную часть чемерицы после заморозков животные поедают без последующего отравления, а в Средней Азии после заморозков верблюды поедают анабазис.
2. Содержание алкалоидов меняется даже в течение суток.
У лобелии одутлой количество их в ночное время на 40% больше, чем в полдень (Г. К. Крейер).
Надрезы коробочек опийного мака в вечерние часы дают больший выход опия и содержание в нем алкалоидов выше.
Исследования В. С. Соколова показали преимущества сборов солянки Рихтера ранним утром и ночью.
3 . Высотный фактор имеет значение для содержания алкалоидов.
Установлено, что для каждого вида имеются свои оптимальные высоты.
У крестовника плосколистного наибольшее количество алкалоидов накапливается на высоте 1800-2000 м над уровнем моря (крестовник встречается в горах на высоте до 2500 м), после чего содержание алкалоидов снижается.
Такое явление наблюдается и у хинного дерева, красавки, эфедры.
4. Почвенные условия. - важный фактор.
Например, солянка Рихтера, растущая на песках, дает около 1% алкалоидов, а выросшая на глинистой почве содержит лишь их следы.
У культивируемых растений отмечается повышение содержания алкалоидов при внесении азотсодержащих удобрений.
5. Внутривидовая (индивидуальная) изменчивость тоже имеет значение. Наблюдается значительная разница в содержании алкалоидов у растений одного вида, растущих в одинаковых условиях, зависящая от индивидуальных свойств растений.
6. При сушке и хранении сырья выявляются колебания в содержании алкалоидов.
При замедленной сушке нестойкие алкалоиды разлагаются. Содержание алкалоидов снижается также при хранении сырья в сырых помещениях.
7. Интенсивность солнечной радиации влияет на процессы, протекающие в растениях.
В большинстве растений затенение ведет к понижению количества алкалоидов (что отмечено в опытах с красавкой).
Однако известны случаи, когда опыты с затенением вызывали увеличение количества алкалоидов (махорочные сорта табака).
Алкалоиды в растениях находятся в виде солей органических и минеральных кислот в растворенном виде в клеточном соке основной паренхимы, флоэмы и клетках других тканей.
Биологическая роль алкалоидов.
Окончательно не выяснена.
С. Ю. Юнусов (1948) считает,
1) что алкалоиды при дыхании растений окисляются в пероксид, который переходит в оксид алкалоида, а освобождающийся при этом активированный кислород используется растением для дальнейшего фотосинтеза.
2) Алкалоиды подземных частей, по-видимому, регулируют рост и обмен веществ, т.е. являются стимуляторами и регуляторами роста;
3)выполняют защитную роль.
О роли алкалоидов в растениях высказано много предположений.
Основные теории следующие.
- Алкалоиды — отбросы жизнедеятельности растений.
Сторонники этой гипотезы рассматривают алкалоиды как конечные продукты процесса обмена веществ, появляющиеся в результате распада азотистых соединений.
Например, факт увеличения с возрастом количества алкалоидов в некоторых растениях.
Однако имеются серьезные возражения против этой гипотезы.
Во-первых, повышение количества алкалоидов с возрастом наблюдается только у небольшой части алкалоидоносных растений.
Во-вторых, если алкалоиды действительно отбросы, то они должны присутствовать абсолютно во всех растениях.
Далее, отбросы должны тем или иным образом удаляться из организма, однако этого не наблюдается.
Более того, алкалоиды-основания в растениях связываются с разными органическими кислотами и в виде солей остаются в растениях.
2. Вторая гипотеза: алкалоиды — запасные вещества.
Динамика изменения количества алкалоидов в разных органах растений на разных этапах его развития привлекается как доказательство роли алкалоидов как запасного азотистого материала. Но это доказательство носит косвенный характер.
В то же время имеются факты, когда в семенах бесспорно алкалоидоносного растения среди запасных питательных веществ алкалоидов нет, но они появляются значительно позже, когда из семян разовьются проростки (в маке снотворном, хинном дереве и ряде других растений).
Очевидно, что первые две гипотезы прямо противоположны друг другу.
3.Алкалоиды — защитные вещества.
Известны факты, когда присутствие алкалоидов предохраняет растение от поедания животными.
Однако известно и другое, когда козы поедают листья табака, кролики — листья красавки, а птицы — ягоды этого растения.
Имеются также насекомые-вредители, которые поглощают зеленую массу вместе с алкалоидами без какого-либо вреда для себя.
4. Алкалоиды — активные и необходимые вещества в процессах биосинтеза, протекающих в растениях.
Данное представление о роли алкалоидов большинством ученых считается наиболее достоверным. Имеются многочисленные факты, подтверждающие наличие связи между алкалоидами и биологией растений.
Алкалоиды, например, иногда выступают в роли сенсибилизаторов, т.е. веществ, усиливающих чувствительность клеток и тканей растений к отдельным частям солнечного спектра.
Содействуя поглощению растениями солнечных лучей, они ускоряют протекание фазы образования и развития органов плодоношения.
5. Имеются данные о положительном влиянии некоторых алкалоидов на процессы роста растений.
Известно широкое использование алкалоида колхицина для получения полиплоидных форм растений, в том числе и самих алкалоидоносов. Предполагается, что алкалоиды с пиридиновым и пиперидиновым кольцами служат материалом для синтеза пиридин нуклеидных ферментов.
6. Алкалоидам иногда отводится роль передатчиков кислорода. Эта передача осуществляется через N-оксидные формы алкалоидов.
Например, в крестовнике алкалоиды-основания и их пероксиды всегда находятся в определенном равновесии, разном в зависимости от фазы вегетации растения.
7. Указывается, что алкалоиды, будучи весьма динамичными, играют роль внутренних буферов в растительной клетке при азотистом питании.
Так, при длительном голодании, вызывающем распад белков, идет накопление алкалоидов, а в случае недостатка снабжения клетки азотом при наличии углеводов наблюдаются распад алкалоидов и синтез белка за счет алкалоидного азота.
8. Имеются высказывания даже о том, что алкалоиды способствуют выздоровлению растений. В подтверждение приводят факты концентрации алкалоидов в органах растений, патологически измененных в результате механических повреждений (атропина — в опытах с беленой, хинина — в коре хинного дерева при соскабливании коры или частичном ее удалении).
В вопросе о роли алкалоидов в каждой из гипотез есть известная доля истины и, если подходить к растению как к целостному организму, то алкалоиды могут быть и "излишними", и запасными, и защитными, и активизирующими рост и развитие растений, и, наконец, веществами другого назначения.
Биосинтез алкалоидов
Основная масса алкалоидов образуется из аминокислот.
Однако имеются алкалоиды с углеродным скелетом изопреноидного происхождения (дитерпеновые и стероидные алкалоиды). В этом случае путь образования алкалоида начинается от углеводов и проходит через мевалоновую кислоту и геранилпирофосфат.
Образование того или иного гетероцикла в молекуле алкалоида зави-
сит от природы аминокислоты, являющейся его предшественником.
Принцип лабораторного синтеза и изучения продуктов разрушения мо-
лекул природных алкалоидов позволил ученым объяснить процесс образования отдельных структур алкалоидов. Радикальные сдвиги в исследовании биосинтеза алкалоидов оказались возможными лишь с 50-х годов, когда стали применяться изотопные методы для проверки справедливости возникающих гипотез.
В настоящее время в зависимости от происхождения атома азота в структуре молекулы, среди алкалоидов выделяют:
- Истинные алкалоиды – соединения, которые образуются из аминокислот и содержат атом азота в составе гетероцикла (гиосциамин, кофеин, платифиллин).
- Протоалкалоиды – соединения, которые образуются из аминокислот и содержат алифатический атом азота в боковой цепи (эфедрин, капсаицин).
- Псевдоалкалоиды – азотсодержащие соединения терпеновой и стероидной природы (соласодин).
Классификация алкалоидов.
В настоящее время открыто около 10 000 алкалоидов, из которых около
4 000 имеют доказанное строение. Такое огромное количество и многообразия алкалоидов не позволяют иметь единую классификацию. В основу классификации алкалоидов положены различные принципы, поэтому различают следующие виды классификаций алкалоидов:
В основе фармакологической классификации лежит фармакологическое действие алкалоидов на организм:
- наркотические алкалоиды;
- местноанестезирующие алкалоиды;
- спазмолитические алкалоиды;
- алкалоиды, обладающие курареподобным действием.
В основе ботанической классификации лежат ботанические признаки растений, а также данные к какому семейству или роду относятся растения, из которых выделены алкалоиды:
- алкалоиды табака;
- алкалоиды мака;
- алкалоиды спорыньи.
Данные классификации не предусматривают химического строения.
Хегнауэр (Англия) предложил биогенетическую классификацию.
В основе лежит представление о характере предшественников алкалоидов и путях их биосинтеза, т.е. строение аминокислот, которые являются вероятными предшественниками алкалоидов в растениях:
- алкалоиды триптофана
- алкалоиды фенилаланина.
Наиболее удобна и часто используется в фармакогнозии
химическая классификация, предложенная академиком А.П.Ореховым.
В основе классификации лежат особенности химического строения азотсодержащего гетероцикла алкалоидов и, следовательно, физические и химические свойства алкалоидов.
А.П.Орехов разделил все алкалоиды на 13 групп:
- Ациклические алкалоиды с азотом в боковой цепи (без гетероциклов):
- эфедрин из различных видов эфедры (Ephedra equisetina, Euphorbiaceae),
- колхицин и колхамин из клубнелуковиц безвременников (Colchicum speciosum, Liliaceae),
- капсаицин (Capsicum annuum, Solanaceae)
эфедрин (фенилметиламинопропанол)
капсаицин
R= CH3 - колхамин
R= COCH3 - колхицин
2. Производные пирролидина (к алкалоидам этой группы относятся гигрин, гигролин содержащиеся в листьях кокаинового куста (Erythroxylum cola, Erythroxylaceae)
пирролидин
3.Производные пирролизидина (платифиллин, саррацин, сенецифилллин из крестовника плосколистного и ромболистного – Senecio platyphylloides, Asteraceae).
пирролизидин платифиллин
- Производные пиридина и пиперидина:
пиридин пиперидин
это большая группа алкалоидов, в которой можно выделить несколько подгрупп:
А) простые производные пиридина и пиперидина:
Лобелин (лобелия взутая), кониин (болиголов пятнистый)
Б) Алкалоиды, содержащие гетероцикл в неизмененном виде (собственно гетероцикл), т.е. бициклические неконденсированные системы:
анабазин никотин
(Anabasis aphylla, (Nicotiana sp., Solanaceae)
Chenopodiaceae) из табака
из анабазиса безлистного
В) Бициклические конденсированные системы пирролидина и пиперидина (тропановые алкалоиды):
Все тропановые алкалоиды являются производными двух аминоспиртов: тропина и скопина, образующих сложные эфиры с троповой кислотой.
Тропан Тропин (тропанол) Скопин (скопанол)
Троповая кислота
Тропин, этерифицируясь троповой кислотой, образует алкалоид гиосциамин. Природный гиосциамин — левовращающий;
в таком виде он переходит в галеновые препараты, но при заводском выделении в чистом виде получают его инактивный рацемат — атропин в виде сульфата.
Гиосциамин (атропин) Кокаин
Скопин с троповой кислотой образует алкалоид скополамин.
Природный скополамин также является левовращающим соединением. Его рацемат называется атросцином. Скополамин получают в виде гидробромида.
Скополамин (атросцин)
- Гиосциамин – сложный эфир спирта тропина и троповой кислоты (Atropa belladonna, A. caucasica, Hyoscyamus niger, Datura stramonium, Solanaceae)
- скополамин (окисленная форма гиосциамина) – сложный эфир спирта скопина и троповой кислоты (Datura innoxia, Scopolia carniolica, Solanaceae)
- кокаин (Erythroxylon coca, Erythroxylaceae)
- Производные хинолизидина (два конденсированных кольца пиперидина, имеющие общий атом азота)
хинолизидин термопсин
пахикарпин цитизин нуфлеин
- пахикарпин, термопсин - (Sophora pachycarpa, Thermopsis lanceolata, Fabaceae - софора толстоплодная, термопсис;
- цитизин - (Thermopsis lanceolata, Th. alterniflora, Fabaceae);
- нуфлеин - (Nuphar luthea, Nympheaceae);
- ликоподин – (Huperzia selago, Lycopodiaceae)
- Производные хинолина
хинолин хелидонин
- хелидонин (Chelidonium majus, Papaveraceae);
- хинин и хинидин из хинной коры (Cinchona succirubra, Rubiaceae);
- эхинопсин из плодов мордовника.
- Производные изохинолина
изохинолин
- сангвинарин, хелеритрин (Macleaya microcarpa, M.cordata, Chelidonium majus, Papaveraceae);
- морфин (Papaver somniferum);
- кодеин (Papaver somniferum);
- папаверин (Papaver somniferum);
- глауцин (Glaucium flavum, Papaveraceae);
- берберин (Berberis vulgaris, Hydrastis Canadensis, Berberidaceae);
- гиндарин и стефаглабрин (Stephania glabra, Menispermaceae);
- галантамин (Ungernia victoris, Amaryllidaceae);
- ликорин (Ungernia sewertzovii, Amaryllidaceae);
- гидрастин и канадин (Hydrastis Canadensis, Berberidaceae)
- сальсолин из солянки Рихтера.
Морфин Кодеин
Папаверин Глауцин
берберин
- Производные индола –
Индол гарман гармин
- стрихнин и бруцин из семян чилибухи (Strychnos nux-vomica, Loganiaceae);
- резерпин (Rauwolfia serpentina, Vinca minor, Apocynaceae);
- аймалин и серпентин (Rauwolfia serpentina, Rauwolfia serpentina, Vinca minor, Apocinaceae);
- винкамин (Vinca minor, Apocynaceae);
- винбластин, винкристин (Catharantus roseus = Vinca rosea, Apocynaceae);
- эрготамин, эрготоксин, эргометрин алкалоиды спорыньи и другие производные лизергиновой кислоты (Claviceps purpurea, Clavicepitaceae);
- гармин и гарман (Passiflora incarnata, Passifloraceae; Peganum harmala, Zygophyllaceae);
- физостигмин (Physostigma venenosum, Fabaceae)
Лизергиновая кислота Эргометрин
Физостигмин
- Производные хиназолина
Хиназолин Пеганин
(Peganum harmala, Zygophyllaceae)
- Производные пурина - кофеин из листьев чая и семян колы.
Пурин Кофеин
Алкалоиды этой группы содержатся в растениях:
- Thea sinensis, Theaceae;
- Coffea arabica, Rubiaceae;
- Theobroma cacao, Sterculiaceae
- Производные имидазола
Имидазол Пилокарпин
Пилокарпин (Pilocarpus jaborand, Rutaceae)
- Производные акридина (имеют ограниченное применение)
Акридин