Алкалоиды - вторичные метаболиты растений. Учебное пособие

Алкалоиды находят применение в пищевой промышленности: кофе, чай, какао, тонизирующие напитки. Преимуществом кофеина и содержащих его продуктов является нормализация артериального давления, усиление диуреза и обменных процессов в тканях за счет ингибирования фермента фосфодиэстеразы, расщепляющей цАМФ, что приводит к уменьшению сократительной активности гладкой мускулатуры, в том числе кровеносных сосудов, улучшению обменных процессов в тканях. Вся табачная промышленность основана на алкалоиде никотине.

В сельском хозяйстве алкалоиды используются для борьбы с вредителями различных культур (никотин, анабазин и др.).

Примеры применения экстрактов и алкалоидов приведены в табл. 4.

Дикорастущие растения, содержащие алкалоиды, встречаются большей частью на юге России: в лесной зоне – барвинок малый; в лесной и лесостепной – дурман обыкновенный; в лесостепной – барбарис обыкновенный; в степной – мачок желтый; на юге европейской части России и Сибири; в степной зоне растет термопсис ланцетный.

Многие лекарственные растения, известные как алкалоидоносы, для создания растительной базы при получении препаратов на их основе культивируются в разных регионах: Macleaya microcarpa в Краснодарском крае, Atropa belladonna на Украине и в Краснодарском крае.

Польза и вред алкалоид содержащих растений

Большинство известных на сегодня алкалоидов – высоко биологически активные вещества, проявляющие разное воздействие на жизнедеятельность, как животных, так и человека. Алкалоиды могут оказать как лечебное действие, так и убить – в зависимости от дозы. Именно поэтому их нередко используют в лечебных целях в небольших дозировках. В высоких концентрациях их действие может из лечебного превратиться в обратное, приводящее к возникновению заболеваний. Препараты алкалоидов применяют в качестве седативных, стимулирующих, отхаркивающих, антиарит-

21

мических, спазмолитических, желчегонных и гипотензивных средств. На основе данных биологически активных веществ производят и изготавливают противомикробные, противовирусные и противопаразитарные препараты. Помимо этого, некоторые алкалоиды могут негативно воздействовать на различные формы жизни.

Как лекарственные препараты алкалоиды проявляют фармакологический эффект в очень малых дозах. С другой стороны, алкалоиды обладают выраженной токсичностью и при превышении терапевтических доз могут являться причиной отравлений и даже смерти. Некоторые алкалоиды применяются в сельском хозяйстве в качестве инсектицидов (никотин, анабазин).

На сегодня есть немало стран, где отравления домашнего скота алкалоидами растений составляют приблизительно половину от всех регистрируемых токсикозов. Среди них наиболее часто имеют дело с острой формой течения, чем с вялотекущим хроническим отравлением.

Одной из широко распространенных трав степных, луговых, пастбищных фитоассоциаций является чемерица Лобеля. Это растение нередко вырастает в высоту до 1,5 м. В ее корневой системе содержится до 2% алкалоидов от сухой массы. В других вегетативных частях содержание алкалоидов меньшее, до 0,5%. Среди домашних животных ких действиюнаиболее чувствительны лошади.

Употребление чемерицы в корм на лугах и пастбищах; поедание сена, силоса, зеленых кормов, в составе которых есть части этого растения являются конкретными причинами, приводящими к токсикозам.

Чемеричные алкалоиды негативно влияют на животный организм и при внешнем, и при внутреннем попадании. На слизистых оболочках, кожных покровах, куда могут попасть ее алкалоиды, незамедлительно начинается раздражение. Всасывание алкалоидов происходит не только при пероральном поступлении в организм. Поверхность тела, особенно у домашних животных с негустым шерстяным покровом, выступает хорошим проводником этих фитотоксикантов. Внутреннее их действие в основном направлено на нервную систему, а уже через нее на желудочно-кишечный тракт и сердечную мышцу.

22

Отравления, вызываемые данным растением, имеют острое течение, первые клинические признаки которого могут проявиться уже через несколько часов после попадания внутрь организма. Летальная доза для них, когда смерть наступает в 100% случаев, составляет 0,2 кг сухих частей чемерицы.

Болиголов пятнистый (семейство сельдерейных) содержит алкалоиды во всех частях, но наиболее обильно в несозревших семенах и листовых пластинках. Именно благодаря этому его издавна использовали в народной медицине для лечения опухолевых и злокачественных образований. Традиционная медицина же этот способ напрочь отвергает ввиду высокой токсичности растения и его производных.

Среди домашних животных самыми уязвимыми являются коровы, поедающие его с другими сопутствующими и не вредоносными травами зеленой массы. Особенно часто это происходит рано весной или поздно осенью, в условиях дефицита ил обеднения травостоя. Считается, что для развития отравления взрослым особям коров необходимо несколько килограмм свежескошенного болиголова или 2 г семян.

Алкалоиды болиголова приводят к параличным явлениям центрального отдела нервной системы. Способны оказывать блокирующее действие на процессы нервной и мышечной передачи и тератогенное воздействие, влияющее на жизнеспособность и развитие плода в материнском организме.

Мак сонный. Опий (опиум) – наркотик, относящийся к сильнодействующим, который получают из невызревших семенных коробок сонного мака. Алкалоиды опиума – это соединения, которые получают из млечного сока растения. Препараты, содержащие смесь алкалоидов опия, широко применяют в медицинских целях в качестве расслабляющих, обезболивающих, спазмолитических средств.

Из морфина, главного опиумного алкалоида, изготавливают сильнейшие болеутоляющие, которые активно применяют в медицинской и паллиативной помощи. Морфин применяют при инфарктах и онкологических заболеваниях, травмах и в послеоперационном периоде. Всего в соке сонного мака содержится пример-

23

но 20 типов алкалоидов, некоторые из них используются при создании фармакологических средств.

Морфин – первый алкалоид, полученный из опиума еще в начале XIX в. В медицине его стали использовать только после изобретения инъекционной иглы. Является главным алкалоидом опиума. Своей популярностью это вещество обязано своим быстрым эффектом. Уже через 10 минут после в ведения оно полностью усваивается. Находится в составе мощных устраняющих боль средств, которые используют при комплексном лечении тяжелых патологий: онкология; инфаркт; серьезные травмы. Кроме того, морфин и подобные сильнодействующие препараты назначают после операций для купирования болевого синдрома.

Вместе с положительными свойствами были выявлены отрицательные последствия его длительного употребления и передозировки. К ним относятся: синдром отмены; нарушение сознания; сбой ритма сердца; перепады артериального давления; общая слабость; дыхательная недостаточность; мощное психическое и физическое привыкание.

Всего через 70 лет, после того как морфин стали применять в медицинских целях, из него был получен один самых «тяжелых» наркотиков – героин. Людям, зависимым от него, грозит не только полная умственная деградация, но и летальный исход.

Кодеин – вещество, так же, как и предыдущее обладает расслабляющим и обезболивающим эффектом, но менее выраженным. Применяют его как анальгетик и средство от кашля. Кодеин – следующий по важности и незаменимости в медицине алкалоид, выделяемый из опия. Его получают с помощью метилирования морфина. Кодеин так же, как и морфин, обладает болеутоляющими и расслабляющими свойствами, только выражены они значительно меньше. Кроме того, кодеин воздействует на кашлевой центр, уменьшая его возбудимость. В целом, кодеин используется и как противокашлевое средство, и как анальгетик. Он содержится в препаратах «Коделак», «Коделмикст», «Нурофен плюс» и других. Применяется внутрь в виде таблеток или сиропов.

Папаверин – практически не оказывает влияния на нервную систему, поэтому редко вызывает привыкание. Оно входит в лекар-

24

ства, применяемые для лечения гипертонии и оказывающие спазмолитическое действие.

Практически все препараты, содержащие смесь алкалоидов опия назначаются только лечащим врачом, так как способны привести к сильнейшей психической и физической зависимости. Также они имеют широкий спектр противопоказаний, поэтому бесконтрольный прием может привести к отрицательным последствиям, в том числе к летальному исходу.

Так как алкалоиды опия являются сильнодействующими веществами, то передозировка препаратами на их основе – частое и опасное явление. В целом отравление любыми опиоидами имеет похожие симптомы. У человека при передозировке наблюдается сонливость вплоть до комы, это происходит из-за сильнейшего угнетения центральной нервной системы организма. Зрачки сужаются и перестают реагировать на свет, вследствие чего ухудшается зрение. Из-за угнетения дыхательного центра у человека нарушается дыхание вплоть до его полной остановки. Среди других признаков передозировки препаратами с алкалоидами опия можно наблюдать тошноту, рвоту, нарушение сердечного ритма, головокружение и обмороки, бледность кожи. При тяжелых отравлениях возникают судороги и острое повреждение легких. Человека с отравлением препаратами, содержащими алкалоиды опия, необходимо немедленно отправить в больницу. К нему не применяют промывание желудка и не назначают активированный уголь. Методов быстрого выведения таких препаратов из организма не существует.

Близкими к опиатным алкалоидам являются таковые (до 14 видов) чистотела большого Chelidonium majus (Маковые), млечный сок которого в отличие от опиума окрашен в желтый цвет из-за содержащегося в нем берберина. Берберин – самый распространенный в растительном мире алкалоид, он содержится у 90 видов растений из 7 семейств, в том числе разных видов барбариса Berberis, ягоды которого использовали еще в Древней Индии и Вавилоне как кровоочистительное средство, а в настоящее время всем частям растения приписывают желчегонное, гипотензивное, сердечное, а иногда и противоопухолевое действие. Следует отме-

25

тить, что чистотел из-за присутствия в своем составе сильно токсичного алкалоида гомохелидонина в официальной отечественной медицине используется только как наружное бактерицидное и фунгистатичное средство (Машковский, 2002).

Алкалоиды в качестве детеррентов

Растения (почти все покрытосеменные) дают пищу насекомым и одновременно эволюционно вырабатывают приспособления, чтобы не оказаться полностью съеденными или чрезмерно ослабленными.

В процессе биохимической коэволюции растений и фитофагов выработана тактика защиты от нападения насекомых. Основными типами приспособлений растений являются:

1)морфологические – шипы, колючки, волоски, покровные

ткани;

2)эмиграция из мест, где обильны фитофаги, – путем распространения семян (например, с материка на острова, где нет насекомых);

3)химические оборонительные средства.

Химическая защита растений от нападения насекомых заключается в синтезе токсинов и вторичных метаболитов неприятных или невкусных для насекомых. Например, отпугивающий вкус может создаваться за счет разных соединений: алкалоидов, сердечных гликозидов, тритерпеноидов, сесквитерпеновых лактонов и т.д.

Одной из функций алкалоидов является детеррентная, защищающая растения от уничтожения животными. Имеется ряд научных примеров изучения сложной системы экологобиохимического взаимодействия в природе. Интересным примером является взаимодействие кактусов и дрозофил в пустыне Саноран (табл. 5).

Взаимодействие видов дрозофил и кактусов обусловлено общей потребностью насекомых получить от растений предшественники гормонов линьки и метаморфоза – экдистероидов, каковыми яв-

26

ляются ситостерол и скоттенол, которые метаболизируют в организме насекомых.

Однако специфичность выбора растений-хозяев насекомыми (862:1 и 6803:1) зависит от присутствия разных алкалоидов в кактусах, например, лофоцереина, который служит репеллентом кактуса лофоцереус Шотта для всех видов, кроме D. pachea. А алкалоид карнегеин является репеллентом кактуса карнегия гигантская для всех неадаптированных видов, кроме D. nigrospiracula. Структуры алкалоидов кактусов приведены на рис. 2.

Таким образом, в изученных биохимических взаимодействиях кактусы синтезируют одинаковые стероидные предшественники гормонов линьки, но видоспецифичные алкалоиды – репелленты.

лофоцереин карнегеин

Рис. 2. Структуры алкалоидов кактусов Лофоцереус Шотта и Карнегия гигантской

27

Биохимическое взаимодействие колорадского жука и видов Solanum

Колорадский жук (Leptinotarsa decemlineata) – хорошо известный и опасный вредитель картофеля.

Устойчивые формы от уничтожения жуком первоначально были найдены не среди линий культурного картофеля, а среди родственных диких видов Solanum из Южной Америки, образующих клубни. Особенно устойчивым оказался S. demissum Lindl.

Показано, что устойчивость обеспечивает стероидный алкалоид, получивший название «демиссин» (рис. 3).

Рис. 3. Структуры алкалоидов видов Solanum

Для проявления репеллентности необходимы три основные особенности структуры демиссина: 1) присутствие тетрасахарида в положении 3; 2) присутствие в качестве одного из компонентов тетрасахарида ксилозы; 3) отсутствие двойной связи в положении ∆5.

Если, как в соланине, в положении 3 находится трисахарид, утрачена ксилоза или имеется двойная связь в положении ∆5, вещество теряет свойства репеллента. Известно, что колорадский жук полностью поедает растения всех сортов и видов картофеля, кроме тех, в листьях и стеблях которых имеется алкалоид демиссин. На этом основана селекция устойчивых к жуку сортов с использованием путем гибридизации дикого вида Solanum demissium, растения которого содержат демиссин и устойчивы к этому вредителю. Сведения о свойствах демиссина как детеррента, несомнен-

28

но, представляют практическую ценность, так как опыты по скрещиванию S. demissum и S. tuberosum могут привести к выведению картофеля, устойчивого к нападению жуков. Действительно, такая программа была осуществлена и были получены растения картофеля, не подвергающиеся нападению колорадского жука.

Насколько долго эта устойчивость сохранится в полевых условиях? Вполне возможно, что жуки адаптируются к демиссину и смогут осуществлять его детоксикацию с образованием безвредных соединений. В таком случае колорадский жук снова начнет размножаться и нападать на незащищенный картофель.

Аккумулирование алкалоидов картофеля (соланина, соланидина) происходит на поверхности клубней при хранении на свету и обнаруживается в виде зеленых зон на кожуре. Для человека они токсичны.

Главный алкалоид томатов и некоторых форм картофеля томатин, как и большинство других пищевых детеррентов, оказывает токсическое действие на нападающих животных. Томатин, как и демиссин, содержит тетрасахарид с ксилозой и не обладает ∆5- двойной связью (некоторое отличие в боковой цепи). Это соединение является таким же активным репеллентом, как и демиссин. Инфильтрация листьев картофеля раствором томатина в концентрации 2 мМ/кг на 50% снижает степень поедания их жуком; если же томатин ввести в концентрации 3 мМ/кг, то это приводит к 100 %-ной гибели личинок.

Таким образом, алкалоиды, как и большинство вторичных метаболитов, синтезируются растениями для выполнения физиологических функций и для защиты своего организма от уничтожения насекомыми.

29

Контрольные вопросы

1. Общие понятия об алкалоидах. История открытия алкалоидов. Роль отечественных и советских ученых в изучении алкалоидов.

2.Физико-химические свойства алкалоидов.

3. Реакции обнаружения алкалоидов:

а) общеосадочные алкалоидные реактивы и их характеристика; б) специфические реактивы.

4.Методы выделения алкалоидов из сырья при проведении анализа.

5.Количественное определение алкалоидов в растительном сы-

рье.

6.Методы исследования состава суммы алкалоидов.

7.Распространение алкалоидов в растительном мире, локализация по органам, особенности состава суммы алкалоидов.

8.Пути использования алколоидоноского сырья.

9.Классификация алкалоидов.

10.Почему опасно использование алкалоидсодержащих видов растений?

30