אלקלואידים: מבנה, ביוסינתזה, סיווג ושימושים - ביולוגיה - 2025

אלקלואידים הם מולקולות המכילות אטום פחמן וחנקן במבנה המולקולרי שלה, אשר בדרך כלל יוצרים טבעות מתחמים. המונח אלקלואיד, שהוצע לראשונה על ידי הרוקח וו. מייסנר בשנת 1819, פירושו "דומה לאלקלי".

המילה אלקלי מתייחסת ליכולתה של מולקולה לספוג יוני מימן (פרוטונים) מחומצה. האלקלואידים נמצאים כמולקולות בודדות, כך שהם קטנים ויכולים לספוג יוני מימן, והופכים אותם לבסיס.

ביוסינתזה של אלקלואידים

כמה בסיסים נפוצים כוללים חלב, סידן פחמתי בנוגדי חומצה או אמוניה במוצרי ניקוי. אלקלואידים מיוצרים על ידי כמה דברים חיים, בעיקר צמחים. עם זאת, תפקידם של מולקולות אלה בצמחים אינו ברור.

ללא קשר לתפקידם בצמחים, לאלקלואידים רבים יש שימושים ברפואה לבני אדם. משככי כאבים שמקורם בצמח הפרג, כמו מורפיום, קיימים מאז 1805. דוגמא נוספת היא הכינין האנטי-מלרי, המשמש את השבטים באמזונס במשך יותר מ -400 שנה.

Papaver somniferum, או צמח פרג

מִבְנֶה

המבנים הכימיים של אלקלואידים משתנים ביותר. באופן כללי, אלקלואיד מכיל לפחות אטום חנקן אחד במבנה דמוי אמין; כלומר נגזרת של אמוניה על ידי החלפת אטומי מימן בקבוצות מימן-פחמן הנקראות פחמימנים.

אטום חנקן זה או אחר יכול להיות פעיל כבסיס בתגובות על בסיס חומצה. השם אלקלואיד יושם במקור על חומרים אלה מכיוון שכמו אלקולות אורגניות הם מגיבים עם חומצות ליצירת מלחים.

לרוב האלקלואידים יש אחד או יותר מאטומי החנקן שלהם כחלק מטבעת אטומים, המכונה לעתים קרובות מערכת טבעת. שמות אלקלואידים מסתיימים בדרך כלל בסיומת "-ינה", התייחסות לסיווג הכימי שלהם כאמינים.

ביוסינתזה

הביוסינתזה של אלקלואידים בצמחים כוללת שלבים מטבוליים רבים, המנותזים על ידי אנזימים השייכים למגוון רחב של משפחות חלבון; מסיבה זו מסלולי הביוסינתזה האלקלואידית מורכבים במידה ניכרת.

עם זאת, ניתן להעיר על כמה כלליות. ישנם כמה ענפים עיקריים בסינתזה אלקלואידית הכוללים:

ביוסינתזה של אלקלואידים טרופניים וניקוטין

בקבוצה זו של אלקלואידים, הביוסינתזה מתבצעת מהתרכובות L-Arginine ו- Ornithine. אלה עוברים תהליך דק-בוקסילציה המתווך על ידי האנזימים שלהם בהתאמה: ארגינין דקרבוקסילאז ואורניטין דקרבוקסילאז.

התוצר של תגובות אלו הוא מולקולות putrecine. בעקבות שלבים אחרים, כולל העברת קבוצות מתיל, מיוצרים הנגזרות הניקוטין (כמו ניקוטין) ונגזרות טרופניות (כמו אטרופין וסקופולמין).

ביוסינתזה של אלקלואידים בנזיליסוקווינאולין

הסינתזה של אלקלואידים מסוג בנזיל איזוקווינולינה מתחילה ממולקולות L-tyrosine, אשר מגולשים על ידי האנזים טירוזין דקרבוקסילאז ומוליכים מולקולות טירמין.

האנזים נורקוקלאורין סינתז משתמש בטירמין המיוצר בשלב הקודם וב- L-DOPA ליצירת מולקולות נורקוקלאורין; הם עוברים סדרה נוספת של תגובות מורכבות כדי להוליד את האלקלואידים ברברין, מורפין וקודאין.

ביוסינתזה של אלקלואידים אינדוליים טרפניים

קבוצה זו של אלקלואידים מסונתזת משני מסלולים: אחד שמתחיל מ L-tryptophan ואחד אחר מ- Geraniol. תוצרי המסלול הללו הם טריפטמין וסקולגנין, מולקולות אלה מהוות את המצע לאנזים סטרקטוזידין סינתז, אשר מזרז את הסינתזה של סטרוגדסידין.

האלקלואידים האנדוליים הטרפניים השונים מיוצרים מסטרקטוזידין, כמו אג'מליסין, קטארנטין, סרפנטין וינבלסטין; האחרון שימש לטיפול במחלת הודג'קין.

בתחומי הביוכימיה המבנית, ביולוגיה מולקולרית ותאית ויישומים ביוטכנולוגיים, אפיון אנזימים ביו-סינתטיים אלקלואידים חדשים היה מוקד המחקר בשנים האחרונות.

מִיוּן

בשל המגוון והמורכבות המבנית שלהם, ניתן לסווג אלקלואידים בדרכים שונות:

על פי מקורו הביוסינתטי

על פי מקורם הביוסינתטי, אלקלואידים מסווגים לשלוש קבוצות גדולות:

אלקלואידים אמיתיים

הם אלו שמקורם בחומצות אמינו ויש להם אטום החנקן כחלק מהטבעת ההטרוציקלית. לדוגמא: היגרן, קוקאין ופיזוסטיגמין.

פרוטו-אלקלואידים

הם נגזרים גם מחומצות אמינו, אך חנקן אינו חלק מהטבעת ההטרוציקלית. לדוגמא: אפדרין וקולכיצין.

Pseudoalkaloids

הם האלקלואידים שאינם נובעים מחומצות אמינו וחנקן הוא חלק מהמבנה ההטרוציקלי. לדוגמא: אקוניטין (אלקלואיד טרפני) וסולנידין (אלקלואיד סטרואידי).

על פי קודמו הביוגנטי

בסיווג זה מקבצים אלקלואידים בהתאם למולקולה שממנה מתחילה הסינתזה שלהם. אם כן, ישנם האלקלואידים שמקורם ב:

- L-Phenylalanine.

- ל-טירוזין.

- L-Tryptophan.

- ל-אורניטין.

- ל-ליסין.

- L-Histidine.

- חומצה ניקוטינית.

- חומצה אנתרילילית.

- בסיסים סגולים.

- מטבוליזם טרפני.

על פי המבנה הכימי או הגרעין הבסיסי שלו

- פירולידין.

- Pyridine-Pyrrolidine.

- איזוקינולינה.

- אימידזול.

- פיפרידין.

- Pyridine-Piperidine.

- קווינולינה.

- פורינה.

- טרופנה.

- אינדול .

יישומים

לאלקלואידים יש שימושים ויישומים מרובים, הן בטבע והן בחברה. ברפואה השימוש באלקלואידים מבוסס על ההשפעות הפיזיולוגיות שהם גורמים בגוף, המהווה מדד לרעילות התרכובת.

בהיותן מולקולות אורגניות המיוצרות על ידי יצורים חיים, לאלקלואידים יש את היכולת המבנית לקיים אינטראקציה עם מערכות ביולוגיות ומשפיעות ישירות על הפיזיולוגיה של אורגניזם. מאפיין זה אולי נראה מסוכן, אך השימוש באלקלואידים בדרך מבוקרת מאוד שימושי.

למרות רעילותם, ישנם אלקלואידים מועילים כאשר משתמשים במינונים הנכונים. מינון עודף עלול לגרום נזק ולהיחשב רעיל לגוף.

האלקלואידים מתקבלים בעיקר משיחים ועשבי תיבול. ניתן למצוא אותם בחלקים שונים של הצמח, כמו עלים, גזע, שורשים וכו '.

ניתן להשתמש באלקלואידים כתרופות

לחלק מהאלקלואידים יש פעילות תרופתית משמעותית. השפעות פיזיולוגיות אלה הופכות אותם לבעלי ערך כתרופות לריפוי הפרעות חמורות.

לדוגמא: וינקריסטין מ- Vinca roseus משמש כתרופה נגד סרטן, ואפדרין מאפדרה distachya משמש לוויסות לחץ הדם.

דוגמאות נוספות כוללות קוררינה, שנמצאת בקארארה והיא מרגיעה שרירים עוצמתית; אטרופין המשמש להרחבת האישונים; קודאין, המשמש כמדכא שיעול; וסלוג אלקלואידים, המשמשים להפגת כאבי ראש במיגרנה, בקרב רבים אחרים.

ניתן להשתמש באלקלואידים כמרקמים

חומרים פסיכוטרופיים רבים, הפועלים על מערכת העצבים המרכזית, הם אלקלואידים. לדוגמא, מורפיום מאופיום (Papaver somniferum) נחשב כתרופה ומשכך כאבים. חומצה ליסרגית דיאתילמיד, הידועה יותר בשם LSD, היא אלקלואיד ותרופה פסיכדלית.

נרקוטים אלה שימשו מאז ימי קדם ככלי להתרגשות נפשית ואופוריה, אם כי הם נחשבים כמזיקים על פי הרפואה המודרנית.

ניתן להשתמש באלקלואידים כחומרי הדברה ודוחה

מרבית חומרי ההדברה והדביקים הטבעיים מקורם בצמחים, שם הם מפעילים את תפקידם כחלק ממערכת ההגנה של הצמח עצמו מפני חרקים, פטריות או חיידקים המשפיעים עליהם. תרכובות אלה הן בדרך כלל אלקלואידים.

כאמור, אלקלואידים אלה רעילים באופיים, אם כי תכונה זו תלויה בריכוז מאוד.

לדוגמא, פירתרין משמש כדוחה חרקים, בריכוז שהוא קטלני ליתושים אך לא לבני אדם.

ניתן להשתמש באלקלואידים במחקר מדעי

בשל השפעותיהם הספציפיות על הגוף, אלקלואידים נמצאים בשימוש נרחב במחקרים מדעיים. לדוגמא, האטרופין האלקלואידי יכול לגרום לתלמיד להתרחב.

לכן, כדי להעריך אם לחומר חדש השפעות דומות או הפוכות, הוא מושווה להשפעה של אטרופין.

אלקלואידים מסוימים נחקרים עם עניין רב בשל תכונותיהם הנוגדות הגידול, כמו וינבלסטין וינקריסטין.

אלקלואידים חשובים אחרים במחקר מדעי כוללים בין היתר קינין, קודאין, ניקוטין, מורפין, סקופולמין ורסרפין.

הפניות

1. קורדל, ג '(2003). האלקלואידים: כימיה וביולוגיה, כרך 60 (מהדורה ראשונה). אלזביאר.
2. דה לוקה, ו 'וסנט פייר, ב' (2000). התא והביולוגיה ההתפתחותית של ביוסינתזה אלקלואידית. מגמות במדע הצמח, 5 (4), 168–173.
3. Facchini, PJPJ (2001). ביוסינתזה של אלקלואידים בצמחים: ביוכימיה, ביולוגיה של התא, ויסות מולקולרי ויישומי הנדסה מטבולית. סקירה שנתית של ביולוגיה מהצומח, 52 (1), 29-66.
4. Kutchan, TM (1995). ביוסינתזה אלקלואיד הבסיס להנדסה מטבולית של צמחי מרפא. תא הצמח המקוון, 7 (7), 1059–1070.
5. Pelletier, S. (1983). אלקלואידים: פרספקטיבות כימיות וביולוגיות, נפח 11 (1 ^st ). וויילי.
6. רוברטס, מ '(2013). אלקלואידים: ביוכימיה, אקולוגיה ויישומים רפואיים. ספרינגר מדע ומדיה עסקית.
7. Wenkert, E. (1959). ביוסינתזה של אלקלואידים. EXPERIENTIA, XV (5), 165–204.
8. זיגלר, ג'יי ופאסצ'יני, PJ (2008). ביוסינתזה של אלקלואידים: מטבוליזם וסחר. סקירה שנתית של ביולוגיה מהצומח, 59 (1), 735–769.