Alkaloidi
- Istorijat
- Fiziološki aktivni alkaloidi
Uvod
Alkaloidi su specifični sastojci biljaka, produkti njihovog
sekundarnog metabolizma, koji imaju više ili manje
kompleksnu strukturu u kojoj dominira molekul azota u
obliku nekog heterociklusa.
Alkaloidi su originalno definisani
kao farmakološki aktivni, bazni spojevi biljnog porijekla koji
sadrže azot.
Poseduju jaku i specifičnu farmakološku aktivnost na
humani i animalni organizam.
Zbog njih se veliki broj biljaka koristi kao lijekovi, ali isto
tako uzrok su otrovnosti nekih biljaka.
2
Pseudoalkaloidi
Heterociklični azot vodi porjeklo od odgovarajućih
aminokiselina i odgovoran je za bazne osobine ove
grupe spojeva.
Neki od spojeva po većini osobina odgovaraju
definiciji alkaloida, ali ne nastaju metabolizmom
aminokiselina.
Primjer za ovu grupu su izoprenski molekuli (terpenski
i steroidni alkaloidi), kao i jednostavni spojevi (koniin)
koji nastaju metabolizmom acetatnih jedinica.
3
Uvod
Struktura alkaloida je poslužila kao model za sintezu
određenih grupa ljekovitih supstanci morfin = analgetici,
kokain = lokalni anestetici,
kinin = antimalarici,
kodein = antitusici.
Neki alkaloidi se primjenjuju u doziranim farmaceutskim
oblicima (tableta, kapsula, dražeja, injekcioni rastvor).
Biljke danas, predstavljaju samo sirovinu za ekstrakciju
alkaloida; rijetko se koriste u obliku galenskih preparata.
4
Biološka funkcija alkaloida Zašto biljka sintetizira alkaloide? Postoji nekoliko pretpostavki.
Smatra se da ova grupa spojeva definiše odnos biljka-predator; alkaloidi
štite biljku od herbivora.
Pojedini alkaloidi ispoljavaju antimikrobnu aktivnost, pa biljku štite od
gljivičnih i bakterijskih infekcija.
Određene grupe alkaloida vezuju slobodne kisikove radikale, koji oštećuju
biljno tkivo, pa je to još jedan oblik njihove zaštitne funkcije.
U obliku ovih spojeva, akumuliran je azot u biljnom tkivu;
U obliku soli alkaloida omogućen je transport određenih specifičnih
kiselina kroz tkivo biljaka.
Moguće je da neki alkaloidi deluju kao regulatori rasta biljaka. 5
Alkaloidi - istorijat
3000-godišnja istorija
upotrebe biljnih ekstrakata
- kao napici ili otrovi
Istočni Mediteran,1400 do
1200 B.C., upotreba
opijuma (grč. opion,
makov sok), sušenog
lateksa vrste maka
(Papaver somniferum) koji
raste u Maloj Aziji.
6
Alkaloidi - istorijat
Korijen indijske biljke Sarpagandha
(Rauwolfia serpentina), (indijski zmijski korjen,
rauvolfija) koristi se od 1000 B.C.
Rezerpin
Rezerpin je izoliran 1952. i nakon toga
je postao prvi moderni lijek za liječenje
hipertenzije. 7
Alkaloidi - istorijat
Stari narodi koristili su ljekovite biljne
ekstrakte kao
sedative, purgative, sredstva protiv kašlja...i za
tretiranje velikog broja oboljenja, uključujući ujed
zmije, groznicu i duševne bolesti...
8
Alkaloidi - istorijat
Jedan od istorijski najpoznatijih alkaloida je KONIIN
koji se javlja u svim dijelovima otrovne biljke kukuta,
divlji peršun (Conium maculatum) i koji je još u
staroj Grčkoj upotrebljavan kao otrov.
Prvi uspesi u određivanju strukture
alkaloida povezani su s koninom, a to je i
prvi alkaloid koji je sintetiziran (Šif 1870
god.; Ladeburg 1886 god.). 9
Alkaloidi - istorijat
Smatra se da je filozof Sokrat ubijen ispivši sok,
ekstrakt biljke Conium maculatum (399 B. C.)
«Smrt Sokrata», Jacques Louis David, 1787 10
Alkaloidi - istorijat
U posljednjem
stoljeću B.C.,
Kleopatra je
koristila ekstrakt
bunike
(Hyoscyamus
niger), koja sadrži
atropin.
11
Alkaloidi - istorijat
Stoljećima je “kralj” svih ljekovitih biljaka bio opijum.
“Theriak”
12
Alkaloidi - istorijat
Sirovi opijum sadrži oko 25 alkaloida, od kojih 5 ima praktično značenje zbog kojih ima narkotična svojstva
Morfin (8-19%), kodein (0.2-1%), tebain (0,5%), papaverin (0.5-1%), narkotin (4-10%)
Izolacija morfina 1806. g., od strane njemačkog farmaceuta Friedricha Sertürnera, predstavlja početak istraživanje alkaloida.
13 Morfin
Alkaloidi - istorijat
Biljke koje sadrže alkaloide bile su prvi lijekovi koje
je čovjek koristio, a mnogi su i danas u upotrebi.
Primjer je kodein iz opijuma
14
Alkaloidi - istorijat Termin alkaloid - 1819. g., Halle, Njemačka,
predložio farmaceut Carl Meissner, prema
arapskom imenu biljke al-qali (baza), kada je
izolirao veratrin iz sjemena sabadile (Sabadilla
officinarum Brandt, Liliaceae).
15
Alkaloidi - istorijat
Nakon 200 godina istraživanja alkaloida, originalna definicija alkaloida nije više adekvatna jer alkaloidi nisu isključivo biljni produkti.
Alkaloidi su izolirani i iz brojnih životinjskih organizama.
Primjer je žaba Bufo marinus koja u svojoj koži akumulira značajne količine morfina.
16
Fiziološki aktivni alkaloidi
Fiziološki aktivni alkaloidi koji se koriste u modernoj medicini
17
Fiziološki aktivni alkaloidi
Od otkrića morfina izolirano je više od 12 000 alkaloida.
Oko 20% cvjetajućih biljaka proizvode alkaloide i svaka
od ovih vrsta akumulira alkaloide na jedinstven,
definisan način.
Neke biljke, kao npr. Catharanthus roseus
(Madagaskarski zimzelen, Vinka rosea), sadrži više od
100 različitih indol alkaloida
Vinblastin- aktivni sastojak koji se koristi u tretmanima
protiv kancera
18
Madagaskarski zimzelen
19
Fiziološki aktivni alkaloidi
Ulogu alkaloida u hemijskoj odbrani biljaka
potvrđuje njihova široka oblast fizioloških
efekata na životinje i antibiotska aktivnost
koju mnogi alkaloidi posjeduju.
20
Fiziološki aktivni alkaloidi
Različiti alkaloidi su toksični i za insekte ili služe za
njihovo zatrašivanje.
Npr. nikotin koji se nalazi u duhanu (Nicotiana
tabacum) bio je jedan od prvih insekticida koje je
čovjek koristio i ostaje jedan od najefikasnijih
Nađeno je da herbivori stimuliraju biosintezu
nikotina u smoniklim biljkama, divljim vrstama
duhana.
21
22
Fiziološki aktivni alkaloidi
Kofein je drugi efikasan toksin za insekte, a nalazi
se u sjemenkama i lišću kakaoa (Theobroma
cacao), kafe (Coffea arabica), kole (Cola
acuminata) i čaja (Thea sinensis).
Pri koncentracijama koje su daleko ispod onih
nađenim u svježim zrnima kafe ili lišću čaja, kofein
ubija larve duhanskog crva (Manduca sexta) u toku
24 sata, prvenstveno inhibirajući enzim
fosfodiesterazu
23
Fiziološki aktivni alkaloidi
Kofein
Coffea arabica 24
Kofein je najrasprostranjeniji purinski derivat .
Theae folium – list čajevca (čajevo lišće)
List čajevca (fermentiran) sadrži 2,5-4,5 % kofeina, 0,02-0,04 %
teofilina i oko 0,05 % teobromina.
Camellia sinensis (L.) Kuntze
= Thea sinensis L. (Theaceae)
R1 R2 R3
Kofein CH3 CH3 CH3
Teobromin H CH3 CH3
Teofilin CH3 CH3 H
25
teobromin - na starogrčkom znači hrana bogova (od grč. Theo
=bog, a brosi =hrana). Visoki udjel teobromina nalazi se u kakao
zrnu, dok se manje količine nalaze i u čaju, guarani (bobicama –
slične šipku) i sjemenkama biljke kola. Za razliku od kofeina, koji mu
je sličan, teobromin manje utiče na centralni nervni sistem.
teofilin - U čaju je mnogo manje zastupljen nego kofein. Njegova
uloga je proširivanje vena i arterija i poboljšavanje cirkulacije. To
objašnjava zašto je čaj, bilo topao ili hladan, osvežavajuće piće.
Respiratorni je stimulans, koristi se za pravljenje određenih lijekova
protiv astme, ali se ni u kom slučaju čaj ne može smatrati za lijek
protiv ove bolesti.
26
Kofein djeluje kao stimulans, te tako privremeno odgađa
umor i pospanost. Pokazuje diuretička svojstva, velike
količine izazivaju dehidraciju, sličnu onoj koju uzrokuje
alkohol.
Novija istraživanja ističu i neke pozitivne strane poput
ubrzavanja metabolizma, poticanja motoričkih sposobnosti
ljudi, izvora antioksidanata...
27
Fiziološki aktivni alkaloidi
Steroidni alkaloid α-solanine, inhibitor
holinesterase, nađen u gomolju krompira (Solanum
tuberosum), toksični je konstituent koji se smatra
odgovornim za teratogeni efekat klijalog krompira.
28
Fiziološki aktivni alkaloidi
Dvije grupe alkaloida koji su dobro proučeni u
odnosu na njihovu ekohemijsku funkciju su
pirolizidin i kinolizidin alkaloidi.
Pirolizidin alkaloidi često se nalaze u biljkama
familije Asteraceae i većina je toksična za sisare.
Tussilago
podbjel
Borago
borač
Senecio
staračac
29
Fiziološki aktivni alkaloidi
U Senecio vrstama
senecionin N-oxide se
sintetizira u korijenu i
prenosi kroz biljku.
60-80% pirolizidin
alkaloida akumulira se u
cvjetnim dijelovima biljke i
uzrok su trovanja stoke, a
predstavljaju i
potencijalnu opasnost za
čovjeka.
30
Veliki kostriš, krijesnica
Fiziološki aktivni alkaloidi
Kinolizidin alkaloidi
se javljaju
prvenstveno u rodu
Lupinus i toksični su
za životinje koje
pasu, posebno za
ovce.
31
O N
HN N
H
N
Izohinolin
Papaverin
Indol
Fizostigmin
Strihnin
Ergot alkaloidi
Pirolidin
Atropin
Kokain
Skopolamin
Furan
Pilokarpin
N
Hinolin
Hinin
NN
H
-Karbolin
Johimbin
Piridin
Nikotin
Heterociklični sistemi koji predstavljaju osnovu
skeleta alkaloida
Aminokiseline - osnova za formiranje alkaloida
1.ornitin, 2.prolin, 3. lizin, 4. fenilalanin, 5. tirozin, 6. triptofan, 7. histidin
32
Izolacija alkaloida
Metode koje se primjenjuju za izolaciju
zasnivaju se na osobinama alkaloida.
Topivosti u različitim otapalima
U biljakama se uglavom nalaze u obliku
soli
33
Metode izolacije alkaloida
1. Ekstrakcija vodom ili razblaženim kiselinama
2. Ekstrakcija otapalom koje se miješa s vodom, npr.
etanolom ili metanolom
3. Ekstrakcija organskim otapalom koji se ne miješa s
vodom, uz dodatak baze
4. Izolacija pomoću ionskih izmjenjivača
5. Izolacija na koloni
6. Izolacija elektrolizom
34
sa kiselinama grade soli
soli alkaloida su rastvorne u vodi
postoje i alkaloidi amfotermnog karaktera
veliki broj alkaloida pokazuje svojstvo optičke
aktivnosti
farmakološki aktivni su ljevogiri oblici alkaloida
biljke sadrže racemate alkaloida
35
Fizičko-hemijske osobine alkaloida
- • molekulska masa između 100 i 900
• najčešće su kristalne supstance, rjeđe amorfne mase,
rijetko tečni
• imaju oštru tačku topljenja
• alkaloidi koji ne sadrže kisik su tečne konzistencije
• većina alkaloida je bijela, (uz neke izuzetke); soli
berbrina su žute, a soli sangvinarina su bakarnocrvene
• više ili manje gorkog ukusa, izuzeci: kapsaicini, piperin i
kavicin su ljuti. 36
Prisustvo u prirodi, rasprostranjenost, lokalizacija
• Alkaloidi su veoma rijetko prisutni u bakterijama
(Pseudomonas aeruginosa), gljivama (Claviceps, Psylociba)
mahovinama i papratima, a nađeni su i u insekatima,
mekušcima, vodozemcima i nekim sisarima
• Retko se nalaze i u golosjemenicama (Gymnospermae -
Cephalotaxus), ali su široko zastupljeni u
skrivenosjemenicama, Angiospermae.
•Najpoznatije familije koje sintetiziraju alkaloide:
Amaryllidaceae i Liliaceae, Apocynaceae, Fumariaceae,
Papaveraceae, Loganiaceae, Magnoliaceae, Solanaceae,
Ranunculaceae, Rubiaceae, Rutaceae, Lauraceae. .
37
Alkaloidi su nekada, vrlo specifično povezani samo sa određenom
biljnom vrstom (npr. morfin se nalazi samo u biljci Papaver somniferum),
Nekada su prisutni unutar jednog roda (npr. tebain u vrstama roda
Papaver), ili unutar nekoliko rodova jedne familije (npr. tropanski
alkaloidi u rodovima Atropa, Hyoscyamus, Datura, Scopolia, Duboisia,
Mandragora familije Solanaceae).
Postoje i takvi primjeri da se isti alkaloidi nalaze u biljnim vrstama veoma
različitih i filogenetski udaljenih familija (npr. purinski derivati u
Rubiaceae, Sterculiaceae, Aquifoliaceae, Theaceae, Sapindaceae).
U biljkama je retko prisutan samo jedan alkaloid, obično se radi o smjesi
hemijski srodnih alkaloida.
38
Poznato je da različiti dijelovi iste biljke sadrže različitu količinu
alkaloida = droga su delovi u kojima je koncentracija alkaloida
najveća.
Postoje i primjeri da pojedini dijelovi biljke ne sadrže alkaloide koji su
prisutni u drugim organima (sjeme maka ne sadrži alkaloide)
Koncentracija alkaloida obično se izražava kroz količinu ukupnih
alkaloida, preračunatu preko dominantnog ili farmakološki
najaktivnijeg jedinjenja.
Količina alkaloida u biljkama se kreće se u širokom rasponu od
0,0002 % vinkristina u Catharanthi herba, do 15% alkaloida u kori
kininovca, Cinchonae cortex.
39
Nekada mogu biti povezani za specijalizovane ćelije (sekretorne ćelije i
mliječni sok).
Alkaloidi grade soli sa kiselinama prisutnim u biljkama (limunskom,
jabučnim, vinskom, izobuternom, benzojevom) ili specifičnim kiselinama
(mekonskom, akonitinskom, helidoninskom).
Soli su rastvorene u ćelijskom soku u vakuolama.
Nerastvorni kompleksi alkaloida s taninima ili šećerima se u obliku
amorfnih masa nalaze u citoplazmi ćelija.
40
Dokazivanje alkaloida
-hemijske reakcije
- opšte reakcije zasnovane su na građenju teško
rastvornog kompleksa sa odgovarajućim reagensima,
- specifične reakcije su, obično, bojene reakcije, bazirane
na oksido-redukcijama.
- hromatografija (TLC, LC, GC).
-organoleptičko dokazivanje
- gorak ili ljut ukus,
-fizičke osobine
- sublimacija kinin,
- rastvor soli kinina fluorescira.
- biološko dokazivanje na osnovu farmakoloških efekata. 41
Određivanje alkaloida
Određuje se ukupna količina alkaloida i izražava na jedan spoj koji je
dominantno ili farmakološki najaktivniji.
- postupak titracije,
- gravimetrijsko određivanje,
- kolorimetrijsko/spektrofotometrijsko/fluorimetrijsko određivanja.
Savremenim tehnikama mogu se definisati i odnosi pojedinih sastojaka
alkaloidnog kompleksa u drogama,
- tečne hromatografije,
- planarne hromatografije
- kapilarne elektroforeze.
U specifičnim slučajevima moguće je primjeniti i biološki metod
određivanja, na osnovu specifičnih farmakoloških efekata sastojaka biljke
na izolovana tkiva, organe ili laboratorijske životinje. 42
Ekstrakcija alkaloida
Metoda ekstrakcije alkaloida zavisi od razloga i svrhe ekstrakcije,
ali i od same biljne sirovine.
Za potrebe industrijske ekstrakcije, koristi se nekoliko osnovnih pristupa, koji
se oblikuju u različite tehnološke procese.
1. ekstrakcija alkaloida nekim organskim rastvaračem iz zaalkalisane sirovine
2. ekstrakcija soli alkaloida u kiselo-vodenom filtratu
3. destilacija tečnih alkaloida vodenom parom iz zaalkalisane droge
4. specifični postupak ekstrakcije fenolnih (amfoterminih) alkaloida
Razdvajanje i prečišćavanje pojedinačnih alkaloida radi se preparativnim
hromatografskim tehnikama, frakcionom precipitacijom ili frakcionom
kristalizacijom soli alkaloida.
43
Farmakološka aktivnost
Izrazita aktivnost!
Doza definiše ljekovitost i toksičnost alkaloida!
- delovanje na centralni nervni sistem
- depresivno (morfin, skopolamin),
- stimulativno (strihnin, kofein),
- delovanje na autonomni nervni sistem
- simpatomimetici (efedrin),
- simpatolitici (johimbin, ergot alkaloidi),
- parasimpatomimetici (ezerin, pilokarpin),
- antiholinergici (atropin, hiosciamin),
- blokatori ganglija (spartein, nikotin),
44
anestezirajuće delovanje (kokain, kurare-alkaloidi),
citotoksično delovanje (vinkristin, vinblastin, kolhicin),
delovanje na izazivača malarije (kinin),
antiaritmijsko delovanje (hinidin, ajmalin),
antibakterijsko delovanje (berberin, helidonin),
amebicidno delovanje (emetin)...
45
Biosinteza alkaloida
46
Biosinteza alkaloida
Alkaloidi su strukturalno izuzetno raznolika familija nitrogenovih baza.
Zajednička karakteristika većine alkaloida je biosintetsko porijeklo od ograničenog broja aminokiselina.
47
Biosinteza alkaloida
Alkaloidi se mogu klasificirati na one koji su izvedeni iz
Lizina ili ornitina
Fenilalanina ili tirozina i
Triptofana
Posebnu grupu čine oni alkaloidi, kao što su steroidni alkaloidi, u kojima je nitrogen uveden nakon što je formiran finalni karbonov skelet.
48
Biosinteza alkaloida
Bazne aminokiseline ornitin i lizin su
precursori pirolidinskog i piperidinskog
prstena i nađeni su u velikom broju
alkaloida.
Alkaloid nikotin se biosintetizira iz
nikotinske kiseline u reakciji ovog tipa.
49
Biosinteza nikotina
Nikotinska kiselina
ornitin lizin
nikotin
Nicotiana tabacum 50
Biosinteza alkaloida
Veliki broj alkaloida se izvode iz aminokiseline tirozina.
Alkaloidi koji su nađeni u opijumu svrstani su u dvije grupe:
benzilizohinolinski kao što je papaverin
i kompleksniji alkaloidi kao što su kodein i morfin.
51
52
Biosinteza papaverina
53
Biosinteza morfina
tirozin
(S)-retikulin
(R)-retikulin salutaridinon
salutaridinol
tebain morfin
54
Biosinteza morfina Sekvenca tebain, kodein i morfin ustanovljena je
kratkotrajnim izlaganjem biljaka atmosferi
radioaktivnog karbon dioksida i praćenjem
radioaktivnosti u alkaloidima.
tebain
morfin
kodein
55
Biosinteza alkaloida
Kuplovanje fenola igra ulogu u stvaranju
karbonovog skeleta u brojnim drugim alkaloidima
koji se izvode iz tirozina, kao što je galantamin koji
se nalazi u žutim narcisima.
56
Biosinteza alkaloida
Veliki broj indol alkaloida uključuje rezerpin i strihnin ...
rezerpin strihnin
57
Biosinteza alkaloida
...i dimerne alkaloide kao što je vinblastin.
Ovi indol alkaloidi se izvode iz aminokiseline triptofana i jedne C10 jedinice.
Izoprenoidno porijeklo ovog alkaloida iz monoterpenoida seco-loganina ustanovljeno je studijama uz primjenu izotopskih markera.
58
Biosinteza alkaloida Monoterpenoidni indolski alkaloid ajmalicin,
izveden iz L-triptofana, bio je prvi alkaloid za koji je
razjašnjena biosinteza na enzimatskom nivou.
U tom istraživanju korištena je biljna ćelijska kultura
Catharanthus roseus.
59
60
Biosinteza berberina
Prvi alkaloid za koji je svaki biosintetski enzim bio
identificiran, izoliran i karakteriziran iz primarnog
metabolita kao prekursora, do konačnog produkta
alkaloida, je antimikrobni
tetrahidrobenzilizohinolinski alkaloid berberin u
ćelijskoj kulturi biljke Berberis wilsoniae.
berberin 61
(S)-Retikulin se naziva i “hemijski kameleon”. U zavisnosti kako se
molekula uvrće i okreće prije no što podliježe enzimatskoj oksidaciji,
može nastati veliki broj tetrahidrobenzilizohinolinskih alkaloida
izrazito različitih struktura.
62