ALKALOÏDEN: STRUCTUUR, BIOSYNTHESE, CLASSIFICATIE EN TOEPASSINGEN - BIOLOGIE - 2026

De alkaloïden zijn moleculen die koolstof- en stikstofatomen bevatten in hun moleculaire structuur, die over het algemeen complexenringen vormen. De term alkaloïde, die voor het eerst werd voorgesteld door de apotheker W. Meissner in 1819, betekent "vergelijkbaar met alkali".

Het woord alkali verwijst naar het vermogen van een molecuul om waterstofionen (protonen) uit een zuur te absorberen. Alkaloïden worden aangetroffen als individuele moleculen, dus ze zijn klein en kunnen waterstofionen opnemen, waardoor ze in een basis veranderen.

Biosynthese van alkaloïden

Enkele veel voorkomende basen zijn melk, calciumcarbonaat in maagzuurremmers of ammoniak in schoonmaakproducten. Alkaloïden worden geproduceerd door sommige levende wezens, met name planten. De rol van deze moleculen in planten is echter niet duidelijk.

Ongeacht hun rol in planten, worden veel alkaloïden gebruikt in de geneeskunde voor mensen. Pijnstillers afgeleid van de papaverplant, zoals morfine, bestaan ​​al sinds 1805. Een ander voorbeeld is de antimalaria kinine, die al meer dan 400 jaar door stammen in het Amazonegebied wordt gebruikt.

Papaver somniferum of papaverplant

Structuur

De chemische structuren van alkaloïden zijn extreem variabel. In het algemeen bevat een alkaloïde ten minste één stikstofatoom in een amine-achtige structuur; dat wil zeggen, een derivaat van ammoniak door waterstofatomen te vervangen door waterstof-koolstofgroepen die koolwaterstoffen worden genoemd.

Dit of een ander stikstofatoom kan actief zijn als base in zuur-base-reacties. De naam alkaloïde werd oorspronkelijk op deze stoffen toegepast omdat ze, net als anorganische logen, reageren met zuren om zouten te vormen.

De meeste alkaloïden hebben een of meer van hun stikstofatomen als onderdeel van een ring van atomen, vaak een ringsysteem genoemd. Alkaloïde namen eindigen over het algemeen op het achtervoegsel "-ina", een verwijzing naar hun chemische classificatie als aminen.

Biosynthese

De biosynthese van alkaloïden in planten omvat vele metabolische stappen, gekatalyseerd door enzymen die tot een breed scala aan eiwitfamilies behoren; om deze reden zijn de biosyntheseroutes van alkaloïden aanzienlijk complex.

Het is echter mogelijk om op enkele algemeenheden te reageren. Er zijn een paar belangrijke takken in de alkaloïde synthese, waaronder:

Biosynthese van tropan- en nicotine-alkaloïden

In deze groep alkaloïden wordt biosynthese uitgevoerd uit de verbindingen L-Arginine en Ornithine. Deze ondergaan een decarboxyleringsproces dat wordt gemedieerd door hun respectieve enzymen: arginine decarboxylase en ornithine decarboxylase.

Het product van deze reacties zijn putrecine-moleculen. Na andere stappen, waaronder de overdracht van methylgroepen, worden de nicotinederivaten (zoals nicotine) en tropanderivaten (zoals atropine en scopolamine) geproduceerd.

Biosynthese van benzylisoquinoline-alkaloïden

De synthese van benzylisochinoline-alkaloïden begint bij L-tyrosinemoleculen, die worden gedecarboxyleerd door het enzym tyrosine-decarboxylase om tyraminemoleculen te doen ontstaan.

Het enzym norcoclaurinesynthase gebruikt het tyramine dat in de vorige stap is geproduceerd en L-DOPA om norcoclaurinemoleculen te vormen; ze ondergaan nog een reeks complexe reacties waarbij de alkaloïden berberine, morfine en codeïne ontstaan.

Biosynthese van terpeen indoolalkaloïden

Deze groep alkaloïden wordt op twee manieren gesynthetiseerd: een die begint met L-tryptofaan en een andere met geraniol. De producten van deze routes zijn tryptamine en secolaganine, deze moleculen zijn het substraat voor het enzym strectosidinesynthase, dat de synthese van strictosidine katalyseert.

De verschillende terpenische indoolalkaloïden worden geproduceerd uit strectosidine, zoals ajmalicine, catarantine, serpentine en vinblastine; de laatste is gebruikt bij de behandeling van de ziekte van Hodgkin.

Op het gebied van structurele biochemie, moleculaire en cellulaire biologie, en biotechnologische toepassingen, is de karakterisering van nieuwe alkaloïde biosynthetische enzymen de laatste jaren de focus van onderzoek geweest.

Classificatie

Vanwege hun diversiteit en structurele complexiteit kunnen alkaloïden op verschillende manieren worden geclassificeerd:

Volgens zijn biosynthetische oorsprong

Volgens hun biosynthetische oorsprong worden alkaloïden ingedeeld in drie grote groepen:

Echte alkaloïden

Het zijn degenen die zijn afgeleid van aminozuren en het stikstofatoom hebben als onderdeel van de heterocyclische ring. Bijvoorbeeld: hygrine, cocaïne en fysostigmine.

Protoalkaloïden

Ze zijn ook afgeleid van aminozuren, maar stikstof maakt geen deel uit van de heterocyclische ring. Bijvoorbeeld: efedrine en colchicine.

Pseudoalkaloïden

Het zijn de alkaloïden die niet afkomstig zijn van aminozuren en stikstof maakt deel uit van de heterocyclische structuur. Bijvoorbeeld: aconitine (terpeen alkaloïde) en solanidine (steroïde alkaloïde).

Volgens zijn biogenetische voorloper

In deze classificatie worden alkaloïden gegroepeerd afhankelijk van het molecuul waaruit hun synthese begint. Zo zijn er de alkaloïden afgeleid van:

- L-fenylalanine.

- L-Tyrosine.

- L-tryptofaan.

- L-Ornithine.

- L-Lysine.

- L-Histidine.

- Nicotine zuur.

- Anthranilzuur.

- Paarse bases.

- Terpeen metabolisme.

Volgens zijn chemische structuur of basiskern

- Pyrrolidine.

- Pyridine-Pyrrolidine.

- Isochinoline.

- Imidazol.

- Piperidine.

- Pyridine-piperidine.

- Chinoline.

Purina.

- Tropane.

- Indool .

Toepassingen

Alkaloïden hebben meerdere toepassingen en toepassingen, zowel in de natuur als in de samenleving. In de geneeskunde is het gebruik van alkaloïden gebaseerd op de fysiologische effecten die ze in het lichaam veroorzaken, wat een maat is voor de toxiciteit van de verbinding.

Omdat het organische moleculen zijn die door levende wezens worden geproduceerd, hebben alkaloïden het structurele vermogen om te interageren met biologische systemen en hebben ze rechtstreeks invloed op de fysiologie van een organisme. Deze eigenschap lijkt misschien gevaarlijk, maar het is erg handig om op een gecontroleerde manier alkaloïden te gebruiken.

Ondanks hun giftigheid zijn sommige alkaloïden nuttig bij gebruik in de juiste doses. Een te hoge dosis kan schade veroorzaken en als giftig voor het lichaam worden beschouwd.

De alkaloïden worden voornamelijk gewonnen uit struiken en kruiden. Ze zijn te vinden in verschillende delen van de plant, zoals bladeren, stengel, wortels, enz.

Alkaloïden kunnen als medicijnen worden gebruikt

Sommige alkaloïden hebben een aanzienlijke farmacologische activiteit. Deze fysiologische effecten maken ze waardevol als medicijnen om sommige ernstige aandoeningen te genezen.

Bijvoorbeeld: Vincristine van Vinca roseus wordt gebruikt als een middel tegen kanker en efedrine van Ephedra distachya wordt gebruikt om de bloeddruk te reguleren.

Andere voorbeelden zijn onder meer curarina, dat in curare wordt aangetroffen en een krachtige spierverslapper is; atropine, dat wordt gebruikt om de pupillen te verwijden; codeïne, dat wordt gebruikt als hoestonderdrukker; en ergot-alkaloïden, die onder andere worden gebruikt om migraine te verlichten.

Alkaloïden kunnen als verdovende middelen worden gebruikt

Veel psychotrope stoffen, die inwerken op het centrale zenuwstelsel, zijn alkaloïden. Morfine uit opium (Papaver somniferum) wordt bijvoorbeeld beschouwd als een medicijn en een pijnstiller. Lyserginezuurdiethylamide, beter bekend als LSD, is een alkaloïde en een psychedelische drug.

Deze verdovende middelen worden al sinds de oudheid gebruikt als instrumenten voor mentale opwinding en euforie, hoewel ze volgens de moderne geneeskunde als schadelijk worden beschouwd.

Alkaloïden kunnen worden gebruikt als pesticiden en insectenwerende middelen

De meeste natuurlijke pesticiden en insectenwerende middelen zijn afkomstig van planten, waar ze hun functie uitoefenen als onderdeel van het eigen afweersysteem van de plant tegen de insecten, schimmels of bacteriën die hen aantasten. Deze verbindingen zijn over het algemeen alkaloïden.

Zoals hierboven vermeld, zijn deze alkaloïden giftig van aard, hoewel deze eigenschap sterk concentratieafhankelijk is.

Pyrethrine wordt bijvoorbeeld gebruikt als insectenverdrijvend middel, in een concentratie die dodelijk is voor muggen maar niet voor mensen.

Alkaloïden kunnen worden gebruikt bij wetenschappelijk onderzoek

Vanwege hun specifieke effecten op het lichaam worden alkaloïden veel gebruikt in wetenschappelijke studies. Het alkaloïde atropine kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat de pupil verwijden.

Dus om te beoordelen of een nieuwe stof vergelijkbare of tegengestelde effecten heeft, wordt deze vergeleken met het effect van atropine.

Sommige alkaloïden worden met grote belangstelling bestudeerd vanwege hun antitumorale eigenschappen, zoals vinblastine en vincristine.

Andere belangrijke alkaloïden in wetenschappelijk onderzoek zijn onder andere kinine, codeïne, nicotine, morfine, scopolamine en reserpine.

Referenties

1. Cordell, G. (2003). The Alkaloids: Chemistry and Biology, Volume 60 (1st ed.). Elsevier.
2. De Luca, V., en St Pierre, B. (2000). De cel- en ontwikkelingsbiologie van alkaloïde biosynthese. Trends in Plant Science, 5 (4), 168–173.
3. Facchini, PJPJ (2001). Alkaloïde biosynthese in planten: biochemie, celbiologie, moleculaire regulatie en metabole engineeringstoepassingen. Jaaroverzicht van plantenbiologie, 52 (1), 29–66.
4. Kutchan, TM (1995). Alkaloïde biosynthese De basis voor metabolische engineering van medicinale planten. The Plant Cell Online, 7 (7), 1059-1070.
5. Pelletier, S. (1983). Alkaloïden: chemische en biologische perspectieven, deel 11 ( ^1ste ). Wiley.
6. Roberts, M. (2013). Alkaloïden: biochemie, ecologie en medicinale toepassingen. Springer Science & Business Media.
7. Wenkert, E. (1959). Alkaloïde biosynthese. EXPERIENTIA, XV (5), 165–204.
8. Ziegler, J., en Facchini, PJ (2008). Alkaloïde biosynthese: metabolisme en mensenhandel. Jaaroverzicht van plantenbiologie, 59 (1), 735-769.