Nauka

Niezwykłe alkaloidy

Numer 8/2018
Model cząsteczki kofeiny – składnika kawy, herbaty i napojów energetycznych. Model cząsteczki kofeiny – składnika kawy, herbaty i napojów energetycznych. Kateryna Kon / Shutterstock
Substancje te występują prawie wszędzie. Oprócz tych, które spożywamy na co dzień, jak kofeina, są też takie, z którymi raczej nie warto się stykać, ponieważ nawet w minimalnych dawkach mogą zabić.
Kofeina, teofilina, teobromina.chromatos/Shutterstock Kofeina, teofilina, teobromina.
Tojad mocny – źródło akonityny.guentermanaus/Shutterstock Tojad mocny – źródło akonityny.
Sporysz w źdźble zboża.Manfred Ruckszio/Shutterstock Sporysz w źdźble zboża.
Owoc bielunia dziędzierzawy.Travis Klein/Shutterstock Owoc bielunia dziędzierzawy.
Niektóre alka­loidy, np. kurara, blokują w synapsach (tu nerwowo-mięśniowych) receptory ­acetylocholinowe, powodując m.in. zwiotczenie mięśni.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Niektóre alka­loidy, np. kurara, blokują w synapsach (tu nerwowo-mięśniowych) receptory ­acetylocholinowe, powodując m.in. zwiotczenie mięśni.
Pokrzyk wilcza jagoda – źródło atropiny. Akkalak/Shutterstock Pokrzyk wilcza jagoda – źródło atropiny.
Katarantus (­barwinek) różowy.Manfred Ruckszio/Shutterstock Katarantus (­barwinek) różowy.
Złotokap zwyczajny.Sergej Razvodovskij/Shutterstock Złotokap zwyczajny.
Pozyskiwanie surowego opium z makówek.Couperfield/Shutterstock Pozyskiwanie surowego opium z makówek.

Alkaloidy występują w naturze i zawierają w cząsteczce azot. Uzyskuje się je z roślin zwykle metodą ekstrakcji. Taką ekstrakcję wykonujemy bezwiednie w domu, zaparzając sobie choćby herbatę czy kawę, czyli izolując kofeinę z liści czy ziaren. Znacznie bardziej złożona jest procedura dokładnego rozdziału uzyskanej mieszaniny alkaloidów. Z przemysłowego punktu widzenia czasami ekonomicznie bardziej opłaca się synteza chemiczna lub też tzw. półsynteza, w której pożądany alkaloid otrzymuje się, wychodząc z innego związku pochodzenia naturalnego.

Co mamy w domu

Opisy działania alkaloidów na organizm człowieka mogą czasem przerażać. Warto jednak wiedzieć, że spotykamy się z nimi w zasadzie wszędzie. Są także obecne w naszej kuchni. Co więcej, nawet dzieciom pozwalamy na to, aby jadły produkty zawierające te związki. Najpopularniejsze z nich to oczywiście kawa i herbata, w których składzie znajdziemy kofeinę (i dodatkowo jeszcze co najmniej kilkanaście innych alkaloidów), ale również cola, rozmaite napoje energetyczne, kakao, a więc także czekolada. Kofeiny w kakao jest kilkakrotnie mniej niż w herbacie, ale zawiera ono także teobrominę, związek budową zbliżony chemicznie do kofeiny i wbrew nazwie pozbawiony atomów bromu. Warto pamiętać, że teobromina zawarta w czekoladzie może być śmiertelnym zagrożeniem dla psów, kotów i koni. Ze względu na ich zupełnie inny metabolizm niż człowieka kumuluje się w organizmach tych zwierząt i prowadzi do zatrucia.

Alkaloidy powszechnie występują w roślinach z rodziny psiankowatych. We wszystkich znajdziemy niewielkie ilości nikotyny, ale to nie wszystko. W ziemniakach powstaje silnie toksyczna i uczulająca solanina – na szczęście w bulwach są to ilości niewielkie, jeśli nie wystawiamy ich na działanie słońca. Niewielkie ilości alkaloidu o nazwie tomatyna zawarte są w pomidorach. Z kolei bakłażany produkują solasoninę i solamarginę. Natomiast ostry smak papryki chili wynika z obecności w niej m.in. kapsaicyny. Powszechnie wiadomo, że w tytoniu występuje nikotyna, ale warto wiedzieć, że np. lubiany przez wiele osób tonik swój gorzki smak zawdzięcza też alkaloidowi – chininie.

Oczywiście nie należy wpadać w panikę z powodu obecności alkaloidów w naszym pożywieniu. Przywykliśmy już do nich, organizm bez problemów je przetwarza, a poza tym ich zawartość w tych produktach jest naprawdę niewielka, a jak mawiał już wiele wieków temu Paracelsus – tylko dawka stanowi o truciźnie.

Zabójcze alkaloidy

Tyle przykładów alkaloidów niegroźnych. Ale pośród tych związków olbrzymią grupę stanowią substancje silnie toksyczne, od bardzo dawna stosowane w celach zabójczych. Indianie Ameryki Południowej polujący na dzikie zwierzęta wykorzystują wyciąg z roślin z rodzaju kulczyba do zatruwania grotów strzał do łuków oraz dmuchawek. Substancją czynną jest tutaj kurara, mieszanina wielu związków, z których najsilniej działającym jest tubokuraryna. Powoduje ona błyskawiczne zwiotczenie mięśni prążkowanych, co skutkuje m.in. porażeniem funkcji oddechowych. Co ciekawe, spożycie kurary nie daje podobnych efektów – działa ona tylko wtedy, gdy dostanie się bezpośrednio do krwiobiegu. Dawniej wykorzystywano ją także w anestezjologii, ale dziś lekarze dysponują znacznie bezpieczniejszymi związkami syntetycznymi o podobnym działaniu.

Z układu pokarmowego doskonale wchłania się natomiast strychnina, związek występujący w nasionach kulczyby wronie oko. Przez wiele lat stosowano ją jako trutkę na szczury. Strychnina jest też bardzo niebezpieczna dla człowieka. W dawkach 100–200 mg wywołuje bolesny skurcz mięśni przejawiający się charakterystycznym wygięciem ciała w łuk (podobnie jak przy tężcu). Śmierć następuje przez uduszenie. Dawniej azotan strychniny stosowano w bardzo niewielkich ilościach także w medycynie jako środek pobudzający. Starsi czytelnicy zapewne pamiętają popularne krople Cardiamid-Coffein, dziś już wycofane z użytku.

W okresie odrodzenia bardzo popularny był „arszenik roślinny”, czyli tojad (rodzaj ten obejmuje niemal 300 gatunków). Ze względu na zawartość silnie toksycznej akonityny zyskał sławę wśród ludzi, którzy chcieli się kogoś pozbyć na dobre. Nie dziwi więc popularna nazwa tej skądinąd ładnej i obecnej w wielu ogrodach rośliny – mordownik. To właśnie wyciągu z tojadu, zawierającego sporą ilość akonityny, użyła m.in. Kleopatra Wielka, aby otruć swojego brata (i jednocześnie męża) i osadzić na tronie syna, Ptolemeusza XV. W latach 50. XX w. sowieckie NKWD prowadziło badania nad użyciem akonityny jako środka toksycznego. Królikami doświadczalnymi byli w tym przypadku więźniowie polityczni.

Wielki filozof starożytny Sokrates też stracił życie przez alkaloidy. Skazano go na karę śmierci m.in. za czczenie nieuznawanych przez państwo bogów oraz za psucie młodzieży. Wyrok wykonano przy użyciu cykuty, wyciągu ze szczwołu plamistego. Rośliny te zawierają bardzo toksyczne alkaloidy, w tym koniinę. Związek ten działa na centralny układ nerwowy podobnie do nikotyny, a w dawce powyżej 100 mg powoduje śmierć.

Przyglądając się kłosom zbóż, szczególnie żyta i pszenżyta, można czasami (dziś na szczęście już bardzo rzadko) między ziarnami dostrzec zbliżone do nich strukturą „ziarna” koloru ciemnego albo nawet czarnego. Jest to sporysz, przetrwalnik pewnego pasożytniczego gatunku grzybów. Zawiera on kilka bardzo silnie działających alkaloidów, z których najważniejszy to ergotamina. Spożywanie sporyszu może być śmiertelnie niebezpieczne. Pod koniec X w. w Akwitanii w jednym sezonie zmarło z powodu zatrucia nim ok. 40 tys. ludzi. Zgon zwykle poprzedzają zaczerwienienie skóry oraz silne halucynacje, stąd chorobę zwaną fachowo ergotyzmem określano kiedyś jako ogień świętego Antoniego. Przy okazji warto dodać, że ergotamina jest prekursorem znanego syntetycznego związku psychodelicznego LSD.

Leki, pestycydy, insektycydy...

Alkaloidy nie służą jednak wyłącznie do zabijania. Od najdawniejszych czasów używa się ich w medycynie. Warto tutaj podkreślić, że dzisiejsza medycyna, a właściwie farmakoterapia, w dużym stopniu korzysta z wiedzy zdobywanej przez wieki. Na szczęście dziś nie musimy posługiwać się metodą prób i błędów – jedyną dostępną w dawnych czasach. Pierwotnie lekami były odpowiednie wyciągi z niektórych roślin. Obecnie najczęściej stosuje się czyste związki ekstrahowane z liści, owoców czy korzeni i coraz częściej także alkaloidy syntetyczne o strukturze bardzo zbliżonej do naturalnych. Modyfikacja chemiczna tych związków ma na celu poprawę ich właściwości lub eliminację działań niepożądanych.

Ciekawe jest to, że często alkaloidy mogą wykazywać bardzo zróżnicowane, czasami nawet przeciwstawne działanie na organizm. Jedne rozszerzają naczynia krwionośne, inne je zwężają. Część działa nasennie, inne – pobudzająco. Ba, niektóre mają różne działanie w zależności od dawki (klasyczny przykład: nikotyna).

Od bardzo dawna alkaloidy – zarówno naturalne, jak też syntetyczne – stosuje się w zwalczaniu bólu. Typowym przykładem jest tu morfina, izolowana z niedojrzałych makówek maku lekarskiego. Pochodnymi morfiny występującymi naturalnie są np. przeciwkaszlowa kodeina czy tebaina. Pierwszym syntetycznym alkaloidem uzyskanym z morfiny jest pochodna acetylowa – heroina. Na przełomie XIX i XX w. heroinę uznawano za doskonały lek przeciwkaszlowy i przeciwbólowy. Co więcej, ówcześni lekarze podkreślali, że w przeciwieństwie do morfiny nie wywołuje uzależnienia. Firma Bayer reklamowała nawet preparaty z zawartością heroiny jako zupełnie bezpieczne. Szybko się jednak okazało, że wszyscy bardzo się mylili. Dziś wiemy doskonale, że jest to jedna z najsilniej uzależniających substancji.

Takie rośliny jak pokrzyk wilcza jagoda, lulek czarny oraz bieluń dziędzierzawa są źródłem alkaloidów tropanowych. Najważniejszymi z nich są atropina i hioscyjamina. Związki te porażają np. akomodację oka, dlatego stosuje się je (głównie atropinę) m.in. w okulistyce do rozszerzenia źrenic. Zjawisko to znano już bardzo dawno temu. Kobiety, które chciały pięknie wyglądać, zakraplały sobie oczy wyciągiem z pokrzyku albo lulka – stąd łacińska nazwa rośliny belladonna (włoskie: piękna kobieta). Warto tu dodać, że silne rozszerzenie źrenic zaburza widzenie i powoduje światłowstręt. Atropinę stosuje się też w kardiologii, a także w anestezjologii przed znieczuleniem ogólnym. Przy zatruciu atropiną sprawdza się inny alkaloid – pilokarpina. Otrzymuje się go z rośliny o nazwie potoślin. Tu nazwa też wyjaśnia wiele, albowiem pilokarpina poza zwężeniem źrenic pobudza działanie gruczołów potowych oraz ślinowych.

Katarantus (barwinek) różowy jest z kolei źródłem dwóch złożonych alkaloidów: winblastyny i winkrystyny. Obu związków używa się jako cytostatyków w leczeniu nowotworów. Ciekawym przykładem alkaloidu roślinnego, pochodnej chinolizydyny, jest cytyzyna (uwaga: nie mylić z cytozyną, cytydyną czy też cysteiną). Występuje ona w złotokapie zwyczajnym. Związek ten działa w organizmie człowieka podobnie do nikotyny, nie wywołując jednak przyzwyczajenia. Z tego powodu od pewnego czasu stosuje się go w leczeniu uzależnienia od palenia tytoniu. Jest jednak silnie toksyczny w większych dawkach i wykazuje działanie teratogenne. Zauważono, że istnieją gatunki owadów całkowicie odporne na toksyczne działanie cytyzyny. Gąsienice ciem z gatunku Uresiphita polygonalis żerują na roślinach zawierających ten alkaloid, aby chronić się przed drapieżnikami.

Badania nad naturalnymi związkami z grupy alkaloidów trwają na całym świecie, a naukowcy stale informują o kolejnych sukcesach. Tak jest też w przypadku paklitakselu, złożonego związku z grupy alkaloidów terpenowych. Na początku lat 60. XX w. ekstrakt z kory cisu krótkolistnego zaczęto stosować jako cytostatyk do leczenia kilku rodzajów nowotworów. Szybko się jednak okazało, że w celu przygotowania leku dla jednego pacjenta trzeba wyciąć co najmniej sześć stuletnich drzew. Dlatego też konieczne stało się opracowanie innej metody uzyskiwania paklitakselu. Pod koniec XX w. ponad 20 zespołów naukowców na całym świecie pracowało nad syntezą tego związku, co zaowocowało stworzeniem kilku efektywnych metod jego otrzymywania. Ostatnio zmieniono jednak nieco strategię i związek ten uzyskuje się metodą inżynierii genetycznej z wykorzystaniem modyfikowanych bakterii Escherichia coli oraz drożdży. Jest to więc doskonały przykład nowoczesnej drogi myślenia: zaczynamy od natury, przechodzimy do klasycznej chemii, ale potem znów wracamy do natury, choć nieco zmodyfikowanej dostępnymi metodami.

Wiele alkaloidów ma silne działanie psychoaktywne, dlatego sporą ich część uznaje się w wielu krajach za substancje nielegalne – począwszy od opium, przez kokainę, na psylocybinie i wielu innych związkach obecnych w ponad 200 gatunkach grzybów skończywszy. Ale alkaloidy stosuje się nie tylko w medycynie czy też w celach rekreacyjnych. Dawniej wyciągi z roślin wykorzystywano w rolnictwie jako pestycydy oraz insektycydy. Jeszcze jakiś czas temu nawet działkowcom zalecano stosowanie wyciągu z tytoniu do zwalczania szkodników roślin. Miało to oczywiście sens, ponieważ nikotyna zawarta w wielu roślinach ma właśnie takie zadanie w naturze. Dziś rolę tę przejęły nowsze związki syntetyczne, strukturalnie zbliżone do nikotyny, tzw. neonikotynoidy.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

***

Endorfiny

Organizm człowieka także produkuje związki, które możemy zaliczyć do grupy alkaloidów. To endorfiny. Ich działanie jest podobne do działania morfiny – wpływają bowiem dokładnie na te same receptory w mózgu. Popularnie nazywa się je molekułami emocji.

Nie powstają w sposób ciągły. Synteza wymaga pewnych bodźców. Stwierdzono, że należą do nich śmiech czy wysiłek fizyczny (tzw. euforia biegacza). Bodźcem do wytwarzania endorfin może być też spożywanie czekolady oraz niektórych przypraw.

Zasadniczo wydzielanie endorfin postrzegane jest pozytywnie, ale istnieją podejrzenia, że mogą one być odpowiedzialne za dość rzadkie zaburzenie nerwicowe zwane zespołem depersonalizacji-derealizacji, występujące głównie u ludzi młodych.

***

Alkaloidy zwierzęce

Jeszcze niedawno uważano, że alkaloidy są syntetyzowane wyłącznie przez rośliny i grzyby. Okazało się jednak, że także w organizmach niektórych zwierząt znaleziono związki należące do tej grupy. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat alkaloidy odkryto u krocionogów, płazów (żaby, ropuchy, salamandry) i gadów, a także wielu gatunków organizmów morskich (gąbki, ryby, mięczaki). Pewne ilości alkaloidów, głównie pochodnych izochinoliny i b-karboliny, znaleziono także w organizmach ssaków, w tym człowieka. Nadal jednak nie wiemy do końca, czy są one u nas wynikiem naturalnej ewolucji, czy ich biosynteza jest niejako przypadkowa i wynika z dostarczania pewnych związków wraz z pożywieniem. Na razie nie ustalono jednoznacznych dowodów, że to właśnie ewolucja zwierząt spowodowała pojawienie się alkaloidów na ścieżkach syntetycznych w komórkach.

Trwa też ożywiona dyskusja nad ich funkcją. W niektórych przypadkach wspierają organizm w działaniach obronnych, podobnie jak np. nikotyna w roślinach, ale coraz więcej wyników badań przemawia za tym, że ich rola jest znacznie bardziej złożona, jak to jest w przypadku endorfin.

01.08.2018 Numer 8/2018
Reklama

Czytaj także

Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną