Издревле люди использовали растительные компоненты для облегчения болей и избавления от болезней и недугов. Однако изучение именно компонентного состава, выделение тех соединений, что оказывают такое действие, стало возможным лишь с широким и массовым развитием химии как науки, то есть начиная с XVII века.
Именно тогда в недрах растительных организмов, а сегодня уже и в некоторых животных, обнаружили азотсодержащие органические соединения, которые и давали такой широкий лечебный эффект. С 1819 г. общее название данной группы веществ - алкалоиды. Предложено В.Мейснером, фармацевтом и врачом.
Что такое алкалоид?
В настоящее время принято считать, что алкалоид - это циклическое соединение, содержащее в составе цикла или боковой цепи один или несколько атомов азота и по химической природе проявляющее свойства слабой щелочи, наподобие аммиака. Раньше говорилось об определении этих веществ как производных азотистого основания пиридина. Однако позже был открыт ряд соединений данной группы, который показал, что такое трактование не совсем верно и не охватывает всего многообразия алкалоидов.
Впервые данное вещество было получено и исследовано в 1803 году ученым Дерсоном. Это был морфий, полученный из опия. Впоследствии независимо друг от друга многие ученые открыли ряд сложных из растительного сырья. Так сложилось представление о том, что алкалоид- это вещество преимущественно природного происхождения. Образуется только в растениях.
Химический состав молекул
По своей химической природе данные вещества - это азотсодержащие органические соединения, которые содержат атомы азота в сложных гетероциклах, соединенных между собой разными типами связей и взаимодействий.
Из растений они выделяются в составе солей некоторых кислот:
- яблочной;
- винной;
- щавелевой;
- уксусной и других.
Если чистое вещество отделить от соли, то можно получить алкалоид в виде твердого кристаллического порошка, а можно в виде жидкой структуры (никотин). И в том и в другом случае - это щелочное соединение, проявляющее соответствующие химические свойства.
То есть химия алкалоидов известна и изучена. Так, например, определены методы, при помощи которых можно выделять их из растительного сырья. Они базируются на растворимости солей алкалоидов в воде, так как в чистом виде данные соединения в воде почти нерастворимы, но зато прекрасно делают это в органических растворителях.
Ряд реакций, при помощи которых происходит выделение и изучение таких соединений, носят название алкалоидных.
- Осаждение. Реакции, основанные на образовании нерастворимой соли алкалоида, которая выпадает в осадок. Это можно осуществить, если использовать следующие компоненты: таннин, пикриновую кислоту, фосфорновольфрамовую или молибденовую кислоты.
- Осаждение. Реакции, основанные на формировании сложных комплексных солей с участием алкалоидных соединений. Реактивы: йодид калия или висмута.
- Окрашивание. При этих реакциях вид алкалоида меняется и он становится заметен в общем составе. Принцип действия - влияние на гетероциклы, появление окраски. Реактивы: азотная, серная кислоты, (II) свежеосажденный.
Часто реакции окрашивания не дают точных результатов, так как гетероциклический состав алкалоидов схож с таковым у белковых молекул. Поэтому они дают одинаковый эффект.
Классификация алкалоидов
На какие категории подразделяются все известные соединения этой группы, определяет вид алкалоида, его химическое строение. Такая классификация была создана академиком А. П. Ореховым и в основе нее лежит тип и структура гетероцикла с атомами азота в них.
- Пирролидин, пирролизидин и их производные. К этой группе можно отнести такие алкалоиды, как платифиллин, саррацин, сенецифиллин и другие. В основе структуры сложные пятичленные гетероциклы, соединенные друг с другом, в состав которых входит атом азота.
- Пиперидин и пиридин, их производные. Представители: анабазин, лобелин. Основа - шестичленные сложные циклы с азотом.
- Хинолизидин и его соединения. К этой группе относятся: пахикарпин, термопсин и другие. Химическая основа в сложных шестичленных гетероциклах, соединенных между собой и азотом.
- Производные хинолина - хинин, эхинопсин.
- Важная группа очень распространенных алкалоидов - соединения изохинолина. Сальсалин, морфин и папаверин - широко используются в медицине. Сюда же можно отнести алкалоиды в растениях барбариса, мачка и чистотела.
- Химически очень сложные по структуре производные тропана - гиосциамин, атропин, скополамин. Строение представлено сложно конденсированными, переплетенными между собой пирролидиновыми и пиперидиновыми кольцами.
- Индол и его соединения - резерпин, стрихнин, винбластин и другие. Сложное сочетание пяти- и шестичленных циклов с атомами азота в структуре.
- Основной алкалоид в пищевой промышленности и медицине - кофеин из чайных листьев и семян растения кола. Относится к производным пурина - сложным соединениям из разных гетероциклов и несколькими атомами азота в составе.
- Эфедрин и его соединения - сферофизин, колхицин и колхамин. Химическое название эфедрина, отражающее его сложное строение, фенилметиламинопропанол - сложный органический ароматический спирт.
- В последнее время принято выделять в алкалоиды некоторые вещества группы стероидов - кортикостероиды и половые гормоны.
Физические свойства
К основным свойствам этой группы можно отнести способность растворяться в разных жидкостях и агрегатное состояние при стандартных условиях.
При комнатной температуре обычный алкалоид - это твердое кристаллическое вещество. Цвета и запаха, как правило, не имеют. На вкус, в основном, горькие, вяжущие, неприятные. Проявляют оптическую активность в растворах.
Некоторая же часть этих веществ при стандартных условиях жидкости - это бескислородные алкалоиды, всего около 200 видов. Например, никотин, пахикарпин, кониин.
Если говорить о растворимости в воде, то могут это сделать полностью только кофеин, эфедрин, эргометрин. Остальные представители этого класса соединений растворяются только в жидких органических веществах (растворителях).
Действие на организм человека
Алкалоид - это вещество, которое оказывает сильное действие на организм человека и животных. Какое это влияние?
- Огромное воздействие оказывается на нервную систему, окончания нервных клеток, синапсы, нейромедиаторные процессы. На данные участки организма разные группы алкалоидов действуют как психотропные, рефлекторного характера, противокашлевые, стимуляторы, наркотические средства, анальгетики. При правильном использовании в медицинских целях, строго дозировано и точно, эти воздействия приносят пользу. Однако малейшая передозировка может привести к очень серьезным и печальным последствиям.
- Действие на сердечно-сосудистую систему - антиаритмическое, улучшающее кровоснабжение, спазмолитическое, гипотензивное, желчегонное.
В случае, если препараты на основе алкалоидов используются не по назначению или без соответствия с необходимой дозировкой, возможны следующие последствия:
- нарушение зрения, слуха;
- нарушение дыхания, тяжесть в груди;
- головокружение, тошнота, рвота;
- кровотечение;
- сухость во рту;
- резкое повышение или понижение кровяного давления;
- сильное отравление с летальным исходом.
Значительная часть алкалоидов по своему физиологическому воздействию на человека является ядами, сильными, вызывающими судороги и смерть (стрихнин, морфин, белладоннин). Другая часть - наркотические соединения, вызывающие зависимость. Психологическую, эмоциональную и физическую (никотин, кофеин, кокаин). Поэтому с данными соединениями нужно вести себя крайне осторожно и использовать только по рекомендации и рецепту врача.
Использование в медицине
В данной области растения, содержащие алкалоиды - это основа для многих препаратов широкого спектра действия, или же, наоборот, узкоспециализированных. На основе такого сырья получают свечи, настойки, таблетки, ампульные растворы. Действие направлено на лечение сердечно-сосудистых заболеваний, органов дыхания, нервной системы и окончаний, психических расстройств. Также для лечения пищеварительной системы, как противозачаточные средства, при онкологических недугах, для устранения алкогольной зависимости и еще много других направлений.
В естественных условиях алкалоиды содержат лекарственные травы и растения. Сегодня известно около10000 наименований этих веществ и почти все они добыты как раз из такого сырья.
В частях грибов, клетках бактерий, водорослей, иглокожих алкалоидов не обнаружено. Из клеток некоторых животных были извлечены соединения алкалоидной природы, однако их совсем немного.
Таким образом, получается, что основной поставщик, неиссякаемый источник данных веществ для медицинских целей, быта человека, промышленности - это растения, содержащие алкалоиды.
Лекарственные растения
Какие же это растения? Их, на самом деле, слишком много, чтобы упомянуть все. Однако можно назвать самые распространенные и часто используемые человеком.
Лекарственные травы и растения - очень важная область медицины современности. Ведь большая часть препаратов синтезирована именно на основе природного сырья. Они использовались с древности и не потеряли своей актуальности для человека и сегодня. Наоборот, с течением времени люди все больше стремятся открыть и изучить компонентный состав таких растений с целью найти что-то важное, то, что поможет решить проблему многих неизлечимых заболеваний.
Самый распространенный алкалоид
Таковым считается производное опия - кодеин. Его можно выделить специальными химическими реакциями из морфина. По сравнению с последним, он более безопасен в использовании, так как по действию мягок. Однако эффективность как анальгетика, седативного препарата нисколько не хуже, чем у морфина или самого опия.
Поэтому препараты на основе кодеина очень широко распространены в медицине и используются людьми всех стран. Единственное ограничение - это дозировка. Применяться он должен только по рекомендации и под присмотром врача.
Опий и его алкалоиды
Опиаты - так в медицине и химии принято называть все те алкалоиды опия, которые можно из него выделить и синтезировать на его основе. Какие это соединения? К сожалению, они сегодня почти у всех на слуху и не всегда имеют хорошую славу и находят достойное, правильное применение. Это такие алкалоиды, как:
- морфин;
- папаверин;
- героин;
- кодеин.
В медицине данные вещества применяются, как противокашлевые, болеутоляющие, успокаивающие средства. На основе кодеина даже создан ряд препаратов при простудных заболеваниях у детей.
Однако такие соединения, как опий и героин, используются не только в медицинских целях, но и как тяжелые одурманивающие наркотические вещества. Они вызывают страшную зависимость организма человека и с течением времени способны нанести тяжкий вред здоровью, даже жизни людей.
text_fields
text_fields
arrow_upward
В настоящее время открыто около 10 000 алкалоидов, из которых около 4 000 имеют доказанное строение. Такое огромное количество и многообразие алкалоидов не дают возможности разработать единую классификацию.
В основу классификации алкалоидов могут быть положены разные принципы, поэтому различают несколько видов классификаций алкалоидов.
1. В основе фармакологической классификации лежит характер фармакологического действия алкалоидов на организм:
- наркотические алкалоиды;
- местноанестезирующие алкалоиды;
- спазмолитические алкалоиды и т.д.
2. В основе ботанической классификации лежит систематическая принадлежность растений, из которых выделены алкалоиды, к определенному роду или семейству:
- алкалоиды табака;
- алкалоиды мака;
- алкалоиды спорыньи и т.д.
3. В основе биогенетической классификации , предложенной английским ученым Хегнауэром, лежит строение аминокислот, которые являются вероятными предшественниками алкалоидов в растениях:
- алкалоиды триптофана;
- алкалоиды фенилаланина и т.д.
4. Наиболее удобна и чаще всего используется в фармакогнозии химическая классификация , предложенная А.П. Ореховым, в основе которой лежат особенности химического строения алкалоидов, в частности, структура азотсодержащего гетероцикла.
Классификация по строению углеродноазотного цикла
text_fields
text_fields
arrow_upward
В зависимости от строения углеродноазотного цикла А.П. Орехов разделил все алкалоиды на 13 групп:
1. Алкалоиды с азотом в боковой цепи или ациклические алкалоиды (без гетероциклов): эфедрин из видов эфедры, капсаицин из плодов стручкового перца, колхицин и колхамин из клубнелуковиц видов безвременника.2. Алкалоиды, производные пирролидина и пирролизидина: платифиллин из крестовника плосколистного.
3. Алкалоиды, производные пиридина и пиперидина, делятся на несколько групп.
а) простые производные пиридина и пиперидина: лобелин из лобелии вздутой, кониин из плодов болиголова пятнистого;
б) бициклические неконденсированные системы: анабазин из анабазиса безлистного, никотин из листьев табака;
в) бициклические конденсированные системы пиперидина и пирролидина (производные тропана): гиосциамин, скополамин из красавки, белены, видов дурмана
4. Алкалоиды, производные хинолизидина: пахикарпин, термопсин, цитизин (софора толстоплодная, виды термопсиса).
5. Алкалоиды, производные хинолина: хинин из хинной коры, эхинопсин из плодов мордовника.
6. Алкалоиды, производные изохинолина: морфин, кодеин и папаверин из коробочек мака, хелеритрин, сангвинарин из травы чистотела и маклейи, глауцин из травы мачка желтого, берберин из корней барбариса.
7. Алкалоиды, производные индола: алкалоиды спорыньи, барвинка малого, резерпин и аймалин из корней раувольфии, стрихнин из семян чилибухи, винбластин и винкристин из листьев катарантуса розового.
8. Алкалоиды, производные пурина: кофеин из листьев чая, семян кофе, теобромин из семян шоколадного дерева.
9. Алкалоиды, производные хиназолина: пеганин из травы гармалы обыкновенной.
10. Алкалоиды, производные имидазола: пилокарпин из листьев видов пилокарпуса.
11. Стероидные алкалоиды: соласонин из травы паслена дольчатого, алкалоиды чемерицы.
12. Дитерпеновые алкалоиды: алкалоиды аконитов и живокостей.
13. Алкалоиды неустановленного строения.
На основании этой классификации систематизируется и сырье, содержащее алкалоиды.
АЛКАЛОИДЫ (от арабского alcali - щелочь и греч. eidos - вид, подобный) - большая группа природных азотсодержащих соединений основного характера. Часто обладают сильным фармакологическим действием. В настоящее время из растений выделено свыше 5000 алкалоидов, иногда указывается в 2 раза большая цифра; для 3000 установлено строение. Наиболее широко алкалоиды распространены среди покрытосеменных. Особенно ими богаты семена маковых, пасленовых, бобовых, кутровых, мареновых, лютиковых, логаниевых и др. В водорослях, грибах, мхах, папоротниках и голосеменных они встречаются сравнительно редко. Название алкалоиды предложено Мейснером в 1819 г. В растениях алкалоиды находятся в виде солей органических и неорганических кислот в активно растущих тканях, эпидермальных и гиподермальных клетках, в обкладках сосудистых пучков и латексных ходах. Они растворены в клеточном соке, накапливаются в листьях, плодах, семенах, коре, подземных органах. Различные части растения могут содержать разные алкалоиды. Обычно концентрация алкалоидов в растении невелика и составляет сотые и десятые доли %. При содержании 1 - 3% растение считается богатым алкалоидами (высокоалкалоидоносным). Только немногие растения , например культивируемые формы хинного дерева, содержат до 15 - 20% алкалоидов. Растение, как правило, включает не один, а несколько алкалоидов (катарантус розовый - более 60 алкалоидов).
Биологические функции алкалоидов еще окончательно не выяснены, но в последнее время все больше предпочтения отдается их активной роли в обмене веществ; их считают своеобразными стимуляторами и регуляторами биохимических процессов.
Есть данные об участии алкалоидов в окислительно-восстановительных процессах. Несомненна защитная роль алкалоидов.
Большинство кислородсодержащих алкалоидов - твердые кристаллические вещества без запаха, с горьким вкусом, бесцветные, лишь некоторые окрашены (например, сангвинарин - оранжевого цвета). Алкалоиды, не содержащие кислорода, являются летучими жидкостями с неприятным запахом (кониин, пахикарпин, никотин). Алкалоиды оптически активны.
Алкалоиды - основания, практически не растворимы в воде (исключение - кофеин, эфедрин, эргометрин) и хорошо растворимы в неполярных органических растворителях. Некоторые соли алкалоидов (например, папаверина гидрохлорид) растворимы в хлороформе.
Большое разнообразие алкалоидов затрудняет их классификацию. А. П. Орехов разделил их на группы, положив в основу строение азотсодержащих гетероциклов. Эта классификация была уточнена и развита др. учеными и ею широко пользуются в химии и фармакогнозии. Выделяют следующие основные группы алкалоидов:
1) группа пирролидина (I);
2) группа пиперидина (II);
3) группа пиридина (III);
4) группа пирролизидина (IV);
5) группа хинолизидина (V);
6) группа хинолина (VI);
7) группа изохинолина (VII);
8) группа хиназолина (VIII);
9) группа индола (IX);
10) группа дигидроиндола или беталаинов;
11) группа имидазола (X);
12) группа акридина (XI);
13) группа пурина (XII);
14) группа стероидных алкалоидов;
15) группа терпеновых алкалоидов;
16) группа алкалоидов без гетероциклов.
Классификация алкалоидов по строению основного гетероцикла имеет ряд преимуществ, но не отражает биогенетических связей среди алкалоидов.
При работах по введению в алкалоиды меченых предшественников выяснено, что большей частью таковыми являются аминокислоты. Это дало основание
Р. Хегнауэру разделить все алкалоиды на три группы: истинные алкалоиды, протоалкалоиды и псевдоалкалоиды . К истинным алкалоидам относят N-гетероциклические соединения, образовавшиеся из биогенных аминов, которые в свою очередь возникли путем декарбоксилирования протеиногенных аминокислот.
Протоалкалоиды не имеют N-гетероциклов и, как правило, являются растительными аминами, например эфедрин, сферофизин и др. Псевдоалкалоиды включают скелет, основу которого составляют не аминокислоты, а др. соединения. К ним относятся стероидные и терпеновые алкалоиды.
В связи с современными представлениями о путях биосинтеза алкалоидов ряд авторов предлагает классифицировать истинные алкалоиды на основе аминокислот, являющихся их предшественниками. В России для классификации лекарственного растительного сырья, содержащего алкалоиды, использована классификация, разработанная А. П. Ореховым.
Для обнаружения алкалоидов в растительном сырье используют общеалкалоидные (осадочные) реакции и хроматографию. Реакции проводят с 1 - 5%-ными кислотными вытяжками из сырья. Для количественного определения алкалоидов используют инструментальные физико-химические, гравиметрические и объемные методы.
В настоящее время в медицинской практике нашло применение более 80 алкалоидов. Они используются в чистом виде, в составе галеновых и новогаленовых препаратов, получаемых из алкалоидного сырья, входят в состав мн. комплексных препаратов. С использованием алкалоидов связано производство тонизирующих напитков (чай, кофе, какао), а также табачная промышленность. Ряд алкалоидов применяют в сельском хозяйстве как инсектициды. На основе известных алкалоидов синтезируют новые вещества с необходимыми фармакологическими свойствами.
Алкалоиды имеют ряд отрицательных свойств. При применении некоторых алкалоидов развивается пристрастие , лекарственная зависимость (наркомания). Многие алкалоиды - сильные яды, способные вызывать отравления с летальным исходом.
К алкалоидам принадлежат вещества растительного происхождения, содержащиеся во многих растениях. В настоящее время известно около 10000 алкалоидов.
Химические свойства алкалоидов
Общим для большинства алкалоидов свойством является наличие в их молекулах азота, содержащегося в составе циклов. Таким образом, алкалоиды, принадлежат к гетероциклическим соединениям. Алкалоиды являются органическими основаниями и дают соли с кислотами. В большинстве случаев алкалоиды содержатся в растениях в виде солей яблочной, винной, лимонной и других кислот. В виде солей они растворимы в воде. Свободные алкалоиды могут быть получены путем обработки солей щелочами. В свободном виде алкалоиды, как правило, нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях. Общим для всех алкалоидов свойством является также то, что они представляют собой физиологически чрезвычайно активные вещества, оказывающие сильное действие на животный организм; многие из них являются ядами.
Влияние алкалоидов на организм человека
Большинство алкалоидов действует на нервную систему: в малых дозах они оказывают возбуждающее действие, а в больших дозах - угнетающее. Так, например, кокаин, широко употребляемый в медицине в качестве местного обезболивающего средства, действует на чувствительные окончания периферической нервной системы. Кураре - алкалоид, содержащийся в соке некоторых южноамериканских растений, действует на двигательные окончания нервной системы и поэтому вызывает паралич; именно поэтому он употреблялся индейцами для смачивания стрел. Содержащийся в млечном соке мака морфин действует на цeнтральную нервную систему, вызывая сон; он употребляется в медицине в качестве общего обезболивающего средства. Содержащийся в табаке никотин также действует на центральную и периферическую нервную систему. В ягодах белладонны и дурмана содержится атропин, который оказывает сильное действие на моторные нервы глаза, расширяя зрачок.
Строение алкалоидов
По своему строению алкалоиды весьма разнообразны. В зависимости от xимической природы азотистого гетероцикла, входящего в их состав, они разделяются на следующие основные группы : 1) производные пиридина; 2) производные пирролидина; 3) производные хинолина и изохинолина; 4) производные индола; 5) производные пурина, к которым принадлежат алкалоиды - кофеин и теобромин; 6) алкалоиды терпеноидной природы.
В некоторых алкалоидах мы имеем дело с комбинацией в молекуле различных азотистых гетероциклов. Так, например, в молекуле никотина соединены между собой пиридин и пирролидин. Обычно все же никотин включают в группу пиридидиновых алкалоидов. Табак содержит целый ряд алкалоидов, из которых главные - никотин, орникотин и анабазин.
Алкалоид никотин
Никотин при окислении образует никотиновую кислоту, которая представляет собой противопеллагрический витамин; в виде амида является составной частью некоторых дегидрогеназ. Никотин в свободном виде - бесцветная, маслянистая жидкость. Он является сильно ядовитым веществом, действующим на центральную и периферическую нервные системы. При отравлении никотином смерть наступает от паралича дыхания. Никотин в больших количествах получают из отходов табачной промышленности и используют для борьбы с насекомыми, вредящими сельскому хозяйству.
Норникотин - алкалоид, получаемый при отнятии метильной группы от никотина. Анабазин был открыт крупнейшим советским исследователем в области химии алкалоидов академиком А.П. Ореховым в среднеазиатском растении Anabasis aphylla. Tак же, как и никотин, анабазин применяется для борьбы с насекомыми - вредителями сельского хозяйства. Исследования А.А. Шмука - крупнейшего авторитета в области химии табака, показали, что отдельные ботанические виды табака могут сильно различаться между собой по содержанию никотина, норникотина и анабазина. Так, например, в обычном папиросном табаке (Nicotiana tаbacum) и в махорке (Nicotiana rustiса) никотин содержится. Ряд видов содержит лишь следы никотина и преимущественно норникотин. Табак, принадлежащий к виду Nicotiana glauca, содержит только анабазин.
Алкалоид хинин
Важнейший представитель группы алкалоидов, принадлежащих к производным хинолина, - хинин , содержится в коре хинного дерева. Он применяется в медицине в качестве весьма эффективного лекарства при лечении малярии.
Алкалоид морфин
Морфин - представитель группы изохинолиновых алкалоидов, содержится в опии - сгущенном млечном соке опийного мака. Опий содержит большое количество различных алкалоидов и широко применяется в медицине как успокаивающее средство, а в больших дозах - и как наркотик. Морфин широко применяется в качестве болеутоляющего средства.
Алкалоиды спорыньи
К группе алкалоидов - производных индола, относится ряд алкалоидов, содержащихся в рожках спорыньи. Спорынья представляет собой зимующую форму гриба Claviceps purpurea , развивающегося в зерне ржи. Спорынья очень ядовита, и попадание рожков в размолотом виде в муку может привести к массовым отравлениям. Поэтому очистка зараженного зерна от рожков спорыньи является важнейшей операцией при переработке такого зерна. Рожки спорыньи применяются в медицине. В настоящее время для получения алкалоидов спорыньи с целью их использования в медицине широко применяется выращивание спорыньи на синтетических средах. Путем изменения состава среды можно существенно повысить выход алкалоидов. В основе строения алкалоидов спорыньи лежит лизергиновая кислота или ее изомер - изолизергиновая кислота, представляющие собой производные индола, синтезируемые в мицелии спорыньи из триптофана и мевалоновой кислоты. Соединяясь с одной или несколькими аминокислотами, пировиноградной кислотой или аминоспиртами, лизергиновая кислота образует тот или иной алкалоид спорыньи. Из рожков спорыньи выделено 12 алкалоидов: эрготамин и эрготаминин, эргозин и эргозинин, эргокристин и эргокристинин, эргокриптин и эргокриптинин, эргокорнин и эргокорнинин, эргобазин и эргобазинин. Алкалоиды спорыньи являются хорошим примером того, что обычно в данном растении содержится целый комплекс алкалоидов; родственных по своей химической природе. Такую же картину мы наблюдаем у табака, опийного мака, хинного дерева.