Alkaloidi - pmf.unsa.ba za organsku hemiju i biohemiju... · (Rauwolfia serpentina), (indijski zmijski korjen, rauvolfija) koristi se od 1000 B.C. Rezerpin Rezerpin je izoliran 1952

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


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


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


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


Smatra se da je filozof Sokrat ubijen ispivši sok,

ekstrakt biljke Conium maculatum (399 B. C.)

«Smrt Sokrata», Jacques Louis David, 1787 10


U posljednjem

stoljeću B.C.,

Kleopatra je

koristila ekstrakt

bunike

(Hyoscyamus

niger), koja sadrži

atropin.

11


Stoljećima je “kralj” svih ljekovitih biljaka bio opijum.

“Theriak”

12


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


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


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


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


Ulogu alkaloida u hemijskoj odbrani biljaka

potvrđuje njihova široka oblast fizioloških

efekata na životinje i antibiotska aktivnost

koju mnogi alkaloidi posjeduju.

20


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


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


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


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


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


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


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

FizostigminStrihninErgot alkaloidi

Pirolidin

AtropinKokainSkopolamin

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


Alkaloidi su strukturalno izuzetno raznolika familija nitrogenovih baza.

Zajednička karakteristika većine alkaloida je biosintetsko porijeklo od ograničenog broja aminokiselina.

47


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


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


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


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


Veliki broj indol alkaloida uključuje rezerpin i strihnin ...

rezerpin strihnin

57


...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

Documents

Alkaloidi - pmf.unsa.ba za organsku hemiju i biohemiju... · (Rauwolfia serpentina), (indijski zmijski korjen, rauvolfija) koristi se od 1000 B.C. Rezerpin Rezerpin je izoliran 1952