Вторичный метаболизм высших растений. Алкалоиды. Часть 3

1.

Российский государственный аграрный университет –
МСХА имени К.А. Тимирязева
Факультет агрономии и биотехнологии
Кафедра генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства
ВТОРИЧНЫЙ
МЕТАБОЛИЗМ
ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ
Алкалоиды. Часть 3
к.б.н., доцент
Михаил Юрьевич Чередниченко

2.

Алкалоиды группы L-фенилаланина, L-тирозина и
антраниловой кислоты
Из L-фенилаланина, L-тирозина и антраниловой кислоты
синтезируются хинолиновые и изохинолиновые алкалоиды.
Тирозин служит источником алкалоида горденина, а из
фенилаланина образуется эфедрин.

3.

Важнейшим природным источником получения
производных хинолина является хинная корка,
содержащая до 30 различных алкалоидов, важнейшим
из которых является хинин – алкалоид группы
антраниловой кислоты.
Общее содержание алкалоидов
может достигать 2...15 %.
Получают хинную корку от различных
видов хинного дерева (Cinchona) – многолетних
растений семейства Мареновые, произрастающих в
Южной Америке и культивируемых на острове Ява.
Латинское название рода дано в честь графини Анн
дел Чинчон, вылеченной от лихорадки корой хинного
дерева.

4.

Из нескольких ценных культивируемых видов хинного дерева
наиболее богатым алкалоидами является хинное дерево Леджера
(Cinchona ledgeriana) из Боливии.
Хинная корка известна как противомалярийное средство с начала
XVII в.
В 1810 г. Б. Гомес обработал спиртовой экстракт коры хинного
дерева щелочью и получил кристаллический продукт «цинхонино». На фармацевтическом факультете Сорбонны П.
Пельтье и Ж. Кавенту (1820 г.) выделили из «цинхонино» два
алкалоида, названные хинином и цинхонином.
Позднее из экстрактов коры хинного
дерева были получены другие
алкалоиды. Синтез хинина был
осуществлен в 1945 г.

5.

Структурной основой большинства алкалоидов,
содержащихся в хинной корке, служат две
гетероциклические системы: хинолин и
хинуклидин.
Общая формула алкалоидов хинной корки:
Алкалоиды отличаются друг от друга
радикалами R1 и R2.
Фармакологическая активность зависит как от
химической природы, так и от оптической
изомерии.
Алкалоиды хинин и хинидин имеют одинаковое
строение (R1 = -ОСН3, R2 = -СН=СН2), но являются
оптическими антиподами.

6.

Препараты на основе хинина и хинидона применяют в медицине
как замедляющие сердечную деятельность при сердцебиении.
На основе хинина производится известный напиток – тоник
(Schweppes).
В настоящее время при лихорадке используют синтетические
противомалярийные средства (плазмохин, хлорохин, акрихин и
др.), близкие по структуре
к природному хинину, а
хинин применяют при
устойчивости
малярийного паразита
к ним.

7.

Алкалоид изохинолинового ряда папаверин был впервые выделен
из опия, который содержит 0,4...1,5% этого алкалоида.
Папаверин является одним из наиболее
ценных алкалоидов опия.
В настоящее время папаверин получают
синтетическим путем.
Применяют препарат в качестве спазмолитического и
сосудорасширяющего средства при спазмах кровеносных сосудов и
гладкой мускулатуры брюшной полости, при гипертонии,
стенокардии.
На основе папаверина созданы его аналоги –
синтетические препараты дибазол и но-шпа.
Но-шпа является восстановленной формой, по
фармакологическому действию близкой к папаверину.

8.

Эфедрин – алкалоид группы фенилаланина обнаружен
в различных видах эфедры (Ephedra) из семейства
Эфедровые. Эфедрин – ароматическое соединение,
содержащее в боковой цепи аминоспирт.
Эфедра хвощовая (Е. equisentina) широко
распространена в Средней и Центральной
Азии, в Сибири и др.
Лекарственные свойства растения были
известны еще в глубокой древности.
В Древнем Китае за 3000 лет до нашей эры эфедра использовалась
в качестве неочищенного лекарственного средства под названием
«махуан».
Эфедрин оказывает адреноподобное действие и употребляется при
лечении заболеваний аллергического характера и для расширения
бронхов. Раствор эфедрина (0,5...1,0 %) используют при насморке.

9.

Другой алкалоид ароматического ряда – алкалоид
мескалин относится к группе тирозина.
Обнаружен у растений рода лофофора (Lophophora)
семейства Кактусовые (мексиканское название – пейот,
или пейотль).
Лофофора Уильямса (L. williamsii)
произрастает в отдельных районах Мексики и
Юго-Запада США, содержит до 6 % алкалоидов
в стебле и реповидном корне.
Мескалин был выделен в 1886 г. Л. Леви, является
галлюциногеном и вызывает в зависимости от дозы окрашенные
видения, раздвоение личности, потерю сознания, головную боль,
головокружение и рвоту.
Пейотль издавна использовался в ритуальных обрядах
мексиканских и американских индейцев.

10.

Мескалин можно получить синтетически путем
присоединения синильной кислоты к альдегиду
триметилгалловой кислоты и последующим
каталитическим восстановлением полученного
оксинитрила.
Синтез мескалина был осуществлен в 1919 г. Шпатом. анхаламин
Из различных видов кактусов были выделены другие
алкалоиды: анхаламин, анхалидин, анхалинин,
лофофорин, лофоцерин, пеллотин и пейотин.
Эти вещества являются производными β-фенэтиламина
или 1,2,3,4-тетрагидроизохинолина.
Эффект зависит от концентрации вещества.
Так, алкалоид пеллотин в небольших дозах действует как
успокаивающее средство, а при приеме более 50 мг – как
снотворное.

11.

Галантамин — алкалоид группы L-тирозина,
выделенный из луковиц подснежника Воронова
(Galanthus Woronowii), семейство Амариллисовые.
Галантамин восстанавливает нервно-мышечную
проводимость и является антагонистом
курареподобных препаратов.
Алкалоид используют в виде препарата Галантамин гидробромид
при лечении различных расстройств, связанных с травмами и
заболеваниями нервной системы.
Галантамин также содержится в других видах подснежника
(Galanthus nivalis) и близких к нему растений, таких как
белоцветник летний (Leucojum aestivum), унгерния Виктора
(Ungernia victoris) и унгерния Северцова (Ungernia sewertzowii).
Оба вида унгернии – это эндемики Центральной Азии,
встречающиеся на высоте 800...2700 м над уровнем моря.

12.

Листья и луковицы унгернии содержат от 0,33 % до 2,25 %
галантамина и являются лекарственным сырьем для его
получения.
Также из унгернии получены алкалоиды ликорин,
гордеин, тацетин и панкратин.
Вначале у растений использовались луковицы,
содержащие больше алкалоидов, но для сохранения
зарослей эндемичных растений разрешена заготовка только
листьев.
Содержание алкалоидов в листьях к концу вегетации снижается,
поэтому заготавливают молодые лиегья.
Для получения ликорина используют унгернию Северцова.
Ликорин обладает отхаркивающим действием и применяется при
острых и хронических воспалительных процессах в легких и
бронхах, при бронхиальной астме.

13.

К группе тирозина относится тубокурарин, входящий в состав
стрельного яда кураре, который индейцы тропических лесов Бразилии использовали для охоты на животных.
Родственными тубокурарину по действию и структуре являютея
алкалоиды курин и протокуридин, однако тубокурарин – самый
эффективный из алкалоидов кураре.
Тубокурарин обладает свойством задерживать проведение нервных
импульсов к мышцам.
Ранение отравленной стрелой вызывает
обездвижение животного или его смерть
в результате остановки дыхания.
В медицинской практике кураре и
курареподобные препараты применяют
для расслабления скелетной мускулатуры,
главным образом при хирургических
операциях.

14.

Источником кураре служат различные виды чилибухи (Strychnos)
из семейства Логаниевые, растущие в Южной Америке.
Виды чилибухи, произрастающие на Филиппинах, в Индии и в
Западной Африке не содержат тубокурарин, однако богаты (до 7 %)
алкалоидами стрихнином и бруцином, относящимися к группе
индола.
Тубокурарин содержится и в других
растениях, которые также применялись
для изготовления смертоносного яда
для стрел.
Как один из основных компонентов в
состав кураре входил экстракт из коры хондродендрона
войлочного (Chondrodendron tomentosum) и других видов этого
рода – лиан влажного тропического леса Бразилии и Перу.

15.

В числе растений, часто используемых индейцами
различных племен для получения кураре, виды
сциадотении (Sciadotenia), курареи (Curarea),
телитоксикума (Telitoxicum), абуты (Abuta) и
аномоспермума (Anomospermum), обитатели
дождевых тропических лесов бассейна реки
Амазонки и ее притоков.
Все перечисленные растения являются
представителями тропического семейства
Луносемянниковые.
абута
сциадотения
аномоспермум

16.

Корни, кора, плоды многих видов содержат ряд алкалоидов
(берберин, коклаурин, тетрандрин, даурицин, d- и l-тубокурарины
и др.), которые являются ценными лекарственными препаратами.
Неудивительно, что ряд видов Луносемянниковых широко
применялся населением тропических стран не только для
получения яда, но и для лечения тропических лихорадок,
желудочно-кишечных заболеваний, как тонизирующие средства
или в качестве противоядия при укусах ядовитых змей.
коклаурин
даурицин

17.

Алкалоиды группы гистидина
Алкалоиды этой группы содержат в структуре пятичленный
гетероцикл с двумя атомами азота – имидазол.
К производным имидазола относится алкалоид
пилокарпин, содержащийся в листьях
различных видов пилокарпуса (Pilocarpus),
произрастающего в Южной и Центральной
Америке, а также в Африке.
Род пилокарпус, включающий около 20 видов,
относится к семейству Рутовые.
Пилокарпин был выделен Арди в 1895 г.
Его строение было установлено в 1930 г.
А.Е. Чичибабиным и Н.А. Преображенским.

18.

Лабораторный синтез пилокарпина из хлорангидрида
гомопилоповой кислоты, включающий 12 стадий, был осуществлен
Н.А. Преображенским с сотрудниками (1933 г.).
Листья различных видов рода пилокарпус
(P. pinnatifolius, P. microphyllus и др.)
называют яборанди (Jaborandi).
Все они содержат и другие алкалоиды:
изопилокарпин, пилокарпидин,
пилозин и др.
Сумма алкалоидов составляет 0,6...0,9 %,
из которых на долю пилокарпина приходится
до 90 %.

19.

Пилокарпин широко применяется в офтальмологической практике
для снижения внутриглазного давления при глаукоме, а также для
улучшения трофики глаза.
Пилокарпин является антагонистом атропина, поскольку сужает
зрачок.
Он используется также для усиления деятельности потовых и
слюнных желез, при некоторых отравлениях (ртутью или свинцом)
и др.

20.

К группе пуриновых алкалоидов относятся кофеин, теобромин и
теофиллин.
Эти алкалоиды оказывают возбуждающее влияние на центральную
нервную систему, но в разной степени.
Наибольшим действием отличается кофеин, меньшим –
теобромин.
Самые известные растения, содержащие эти алкалоиды – чай,
кофе, какао, кола.
Тонизирующие свойства одноименных напитков, изготавливаемых
из этих растений, обусловлены наличием алкалоидов.

21.

Теобромин содержится в какао, чае и коле.
Теофиллин – в чае и кофе.
Кофеин – в чае, какао, кофе, коле,
парагвайском чае (матэ), гуаране.
Приводятся такие цифры содержания
кофеина в чашке напитка: кофе – около 100
мг, декофеинизированного кофе – 5 мг,
какао – около 10 мг, чая или колы – около
50 мг.
Алкалоиды извлекают из растений, а также
получают синтетическим путем.
Кофеин был открыт в 1820 г. немецким
химиком Ф. Рунге, а затем и другими
учеными.

22.

В 1897 г. немецкий химик Э.Г. Фишер синтезировал
кофеин, структурная формула и химический состав
которого совпали с содержащимся в листьях чая
теином.
Влияя на центральную нервную систему, кофеин
усиливает дыхание, частоту и силу сердечных
сокращений, ускоряет обмен веществ, и тем самым
создаст ощущение бодрости, повышает настроение и
мышечный тонус, улучшает координацию движений,
снимает усталость.
Кофеин также оказывает мочегонное действие и стимулирует
сужение кровеносных сосудов, что определяет его способность
облегчать головные боли, вызванные расширением кровеносных
сосудов. Поэтому кофеин используется для стимуляции
сердечной деятельности и дыхания.
Кофеин является природным инсектицидом, при добавлении к
синтетическим препаратам усиливает их действие.

23.

В промышленности кофеин получают тремя
способами:
- выделением из жареных кофейных зерен, в которых
содержится 0,75...1,5 % кофеина;
- экстракцией перемолотых чайных листьев (чайная
пыль), содержащих 1,5...3,5 % кофеина;
- экстракцией из орехов колы, содержащих около 2 %
кофеина.
Кроме того, он может быть получен химическим
путем из мочевой кислоты или метилированием
теобромина.

24.

Род кофе (Coffea) относится к семейству Мареновые и насчитывает
40, а по некоторым данным и больше видов.
Растения всех видов отличаются значительным
разнообразием: от деревьев до кустарников, от
листопадных до вечнозеленых.
Кофеин содержится в семенах и листьях.
Наибольшее экономическое значение имеет кофейное дерево
аравийское (С. arabica), которое широко культивируется во
многих странах земного шара, особенно широко в Латинской
Америке.
Происхождение культуры кофе связано с Эфиопией и Йеменом.
Стимулирующее свойство кофе обнаружили пастухи, заметив, что
козы и овцы, наевшись опавших зерен кофе, не спали всю ночь.

25.

Из Эфиопии кофе попал на Аравийский полуостров, где приобрел
популярность и известность, почему кофе считается излюбленным
напитком арабов.
В странах Европы кофе появился позже.
Первая кофейня открылась в конце XVII в. в Вене.
Другие виды кофе – кофе
мощный (C. robusta) и кофе
либерийский (C. liberica)
уступают по качеству
аравийскому, поэтому
возделываются в меньших
масштабах.

26.

Кола блестящая (Cola nitida) – вечнозеленое дерево
семейства Стеркулиевые.
Родом растение из тропической Африки, но
интродуцировано в тропических районах
Центральной и Южной Америки, Юго-Восточной
Азии.
Семена, известные под названием «орехи кола»,
содержат кофеин (2,5 %), теобромин (0,01 %) и
другие алкалоиды (колатин).
Совокупность алкалоидов
обуславливает действие
семян как натурального
транквилизатора.

27.

Местное население Африки использовало семена как жвачку для
стимуляции мышечной энергии, возбуждения центральной
нервной системы и сердечной деятельности.
Употребление семян повышало работоспособность, что удивляло
европейцев во время длительных экспедиций в Африке.
Семена колы применяются при изготовлении шоколада-кола,
таблеток кола и напитка пепси-кола, которые употребляются как
тонизирующие средства.
Сочетание экстрактов коки
(алкалоид кокаин) и колы (кофеин)
лежит в основе напитка кока-кола.

28.

Теобромин выделен в 1842 г. из шелухи
семян какао А.А. Воскресенским.
Какао, или шоколадное дерево,
(Theobroma cacao) – крупное тропическое
дерево, в природных условиях достигающее
высоты 9...12 м, относится к семейству Стеркулиевые.
Название вида происходит от греч. Theos – бог, broma – пища.
В семенах какао содержится до 1,8 % теобромина, который по
сравнению с кофеином вызывает менее выраженное действие на
центральную нервную систему.
Плоды, представляющие яйцевидные ягоды длиной 30 см и
шириной до 10 см, развиваются непосредственно на стволах и
ветвях (каулифлория). Внутри плода находится 25...40 семян,
которые и называют какао-бобами.

29.

Семена какао были впервые привезены в
Европу в 1520 г. Э. Кортесом из Мексики.
Ацтеки использовали семена какао для
приготовления особого напитка, обладающего
тонизирующими свойствами, и называли его
чоколатль («горькая вода»), а семена и само растение
— какауатль. Поэтому в Европе напиток получил
название chocolate (шоколад), а растение – cacao
(какао).
Чоколатль ацтеки пили без сахара или меда, но с
перцем и ванилью.
Какао-бобы представляли значительную ценность: за 100 штук
можно было купить раба, а император ацтеков ими собирал дань.
В XVII в. культура какао начала распространяться в Венесуэле,
затем в Вест-Индии, а в середине XVIII в. – в Бразилии, где
получила широкое развитие.

30.

Чайное дерево, или чайный куст, или чай китайский, (Thea
sinensis) – растение семейства Чайные.
Это монотипный род, включающий
несколько разновидностей.
Первое упоминание о чае сделали
китайцы более чем 4500 лет назад.
Из чайных листьев стали готовить
бодрящий, прогоняющий сон
напиток, который вначале употреблялся исключительно при
религиозных бдениях.
Существует даже легенда о том, что это растение выросло из
брошенных на землю век китайского святого, который отрезал их
после того, как заснул во время молитвы.

31.

Использование чая в Европе началось в XV-XVII вв. вначале как
лекарственного средства, затем – как напитка.
Чайный куст был привезен в Европу
шведским капитаном Эксбергом по
просьбе К. Линнея в 1763 г., который
и дал растению название Thea sinensis.
В XVII в. чай появился в России. В 1814 г.
чайный куст был посажен в
Никитском ботаническом саду Н.А. Гартвисом.
Из молодых побегов (флешей) изготавливают продукт,
используемый для приготовления самого распространенного
напитка.
В чае содержатся алкалоиды теофиллин, теобромин, но основным
является кофеин.

32.

Кофеина в чае содержится больше, чем в кофе (1...4 %), но чайный
кофеин (теин) действует мягче.
Разные сорта чая отличаются по содержанию
кофеина, поскольку для их изготовления
используют различное сырье.
В чайном кусте отмечается неравномерность
распределения кофеина.
Наибольшим содержанием отличается
1-й листочек флеши (4...5 %).
Второй и третий листочки содержат
не более 3 % кофеина, а остальные листья – 0,5...1,5 %.
Поэтому чай, изготовленный из первых листочков, содержит
больше кофеина, чем из более грубого сырья.

33.

В XIX в. для транспортировки свежего чая нового урожая из Китая
в Европу использовались специально сконструированные
быстроходные парусные суда – чайные клипера.
В 1866 г. состоялась знаменитая чайная гонка из Китайского порта
Фучоу, расположенного в устье реки Миньянги.
Дело в том, что суда, которые первые доставляли в Лондон
ароматный груз из Китая,
получали плату за перевозку
(фрахт) значительно выше,
чем все остальные.
А капитаны этих судов
отмечались дополнительной
премией.

34.

Имеются другие виды растений, также известные под
названием чай, но они относятся к другим
семействам: парагвайский чай – Падубовые,
а арабский чай – Бересклетовые.
Чай парагвайский, или матэ,
(Ilex paraguariensis) содержит кофеина
в листьях 0,97...1,79 %, в стеблях – до 0,73 %.
Это вечнозеленое дерево широко возделывается в
Бразилии, Парагвае, Аргентине.
Чай арабский, или ката, (Catha edulis) –
кустарник, внешним видом напоминающий
чайный куст.
Из свежих листьев готовят тонизирующий
напиток, популярный в арабских странах.

35.

Свойства чая обусловлены не кофеином, а другими алкалоидами, в
т.ч. катин, катинин, катидин и др.
Большие дозы каты вызывают паралич, поэтому с растением
ведется борьба.
Богатый кофеином напиток готовят
из семян гуараны (Paullinia cupana).
Этот многолетний вечнозеленый
кустарник семейства Сапиндовые
культивируется в Бразилии.
Для приготовления напитка семена размалывают, готовят пасту,
которая может долго храниться.
Гуарана применяется как тонизирующее средство, а также в
медицине при лечении невралгии, мигрени.

36.

Алкалоиды, синтезирующиеся по изопреноидному пути
К этой группе относятся алкалоиды, построенные по
«изопреновому» правилу и отличающиеся путем биосинтеза,
характерным для терпеноидов.
Эти соединения принадлежат к псевдоалкалоидам, т.к. в структуре
не содержат гетероциклы, а азот в молекуле находится в открытой
цепи.
Среди этих алкалоидов наиболее широкое применение в
медицинской практике находит сферофизин.
Сферофизин был впервые выделен
М.М. Рубинштейном и Г.П. Меньшиковым
из сферофизы солонцовой (Sphaerophysa
salsula) – однолетнего растения семейства Бобовые,
произрастающего в Средней Азии, в Сибири и на Алтае.

37.

С точки зрения химической структуры сферофизин является
производным гуанидина, который сочетается в молекуле с
бутиламином и изоамиленом.
Сферофизин является лекарственным средством и широко
применяется в акушерской практике.
Алкалоид капсаицин, содержащийся в зрелых
высушенных плодах стручкового перца, или
перца красного, (Capsicum аnnuum),
обусловливает его раздражающее действие
и острый вкус.
Стручковый перец имеет разнообразное применение. Мелкие
округлые плоды известны под названием кайенский перец, а более
длинные и жгучие – под названием длинного кайенского перца.
Сладкие сорта перца однолетнего обычно называют паприкой.

38.

В медицине применяют только жгучие сорта перца однолетнего и
перца кустарникового (Capsicum frutescens).
Перцовый пластырь и настойку перца, содержащую до 1 %
капсаицина, назначают для растирания при невралгиях,
радикулитах, миозитах и т.п.
Мазь на основе перцовой настойки используют для профилактики
обморожений.
В некоторых луковичных растениях рода крокус
(Colchicum) семейства Лилейные содержится
алкалоид колхицин, ставший особенно
известным благодаря способности вызывать
полиплоидию растений.
В связи с этим колхицин используют в генетических
исследованиях.

39.

В 1945 г. Дьюар установил, что в структуре колхицина
присутствует трополоновый цикл.
Трополоновый цикл содержит и другой родственный колхицину
алкалоид этого ряда – колхамин.
Колхамин выделен из клубнелуковиц
безвременника великолепного (Colchicum speciosum).
Колхицин и колхамин обладают сходным
фармакологическим действием: задерживают деление клеточных
ядер и проявляют противоопухолевую активность.
Вместе с тем колхамин менее токсичен.
Колхамин используют как средство для наружного применения
при злокачественных заболеваниях кожи.
Колхицин иногда применяют при лечении подагры.

40.

Аконитин – алкалоид растений рода аконит (Aconitum) семейства
Лютиковые.
Все части растения содержат алкалоиды, связанные с аконитовой
кислотой.
В подземной части растений суммарное
содержание алкалоидов группы аконитина
составляет 0,18...4 % (аконитин, мезоаконитин,
гипоаконитин и др.).
Действие аконитина и близких ему алкалоидов состоит в
первоначальном возбуждении центральной нервной системы,
особенно дыхательного центра и периферических нервов.
За возбуждением нервной системы наступает ее угнетение и
паралич.
Для аконитина показано и антиаритмическое действие.

41.

К псевдоалкалоидам относятся стероидные алкалоиды,
сочетающие свойства стероидных сапонинов и алкалоидов.
Эта группа включает около 350 веществ, найденных всего в 5
семействах: Пасленовые, Лилейные, Самшитовые, Кутровые,
Симабарубовые.
Основным источником получения стероидных алкалоидов
является паслен дольчатый (Solanum laciniatum) – субтропическое
многолетнее травянистое растение семейства Пасленовые.
Родиной является Австралия, Новая Зеландия.
При культивировании паслен выращивают
как однолетнее растение.
В качестве сырья используется и надземная часть, в которой
содержатся алкалоиды соласодин, соласопин и саламаргин.
Заготовку проводят в фазу цветения и плодоношения.

42.

Стероидные алкалоиды применяют для получения
прогестерона, синтеза кортизона и других
стероидных гормонов.
Для получения стероидных препаратов
используют и другие растения рода паслен: паслен
птичий (S. aviculare) и паслен черный
(S. laciniatum).
Стероидные алкалоиды содержатся в многолетних
ядовитых растениях рода чемерица (Veratrum)
семейства Лилейные – чемерице белой (V. album)
и чемерице Лобеля (V. lobelianum).
Чемерица Лобеля встречается на сырых лугах
европейской части России.
Это растение занесено в Красную книгу
Вологодской области.

43.

Все части растения содержат стероидные алкалоиды, в т. ч.
иервин и псевдоиервин.
В качестве лекарственного сырья используют корневище с
корнями.
В народной медицине чемерица применяется для лечения лишаев
и экзем, подагры и ревматизма, при чесотке.
В ветеринарии чемерица используется как противопаразитарное
средство, а в растениеводстве – против капустной и свекольной
тлей, капустной моли, мух,
рапсового пилильщика и
других вредителей.