อัลคาลอยด์
บทนำสู่อัลคาลอยด์
Alkaloids are organic compounds containing at least one nitrogen atom in a heterocyclic ring. Over 10,000 have been identified, with approximately one new alkaloid described daily. They share common physical and chemical properties: usually insoluble in water, mostly crystalline solids, and most are alkaline in nature.
อัลคาลอยด์เป็นสารอินทรีย์ที่มีอะตอมไนโตรเจนอย่างน้อยหนึ่งอะตอมอยู่ในวงแหวนเฮเทอโรไซคลิก สารเหล่านี้เป็นกลุ่มสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่สำคัญที่สุดกลุ่มหนึ่งในพืชสมุนไพร จนถึงปัจจุบันมีการค้นพบอัลคาลอยด์มากกว่า 10,000 ชนิด และมีรายงานการค้นพบอัลคาลอยด์ชนิดใหม่เฉลี่ยวันละหนึ่งชนิด
อัลคาลอยด์มีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่คล้ายคลึงกัน ได้แก่ ส่วนใหญ่ไม่ละลายในน้ำ (แต่เกลือของอัลคาลอยด์ละลายน้ำได้) ส่วนใหญ่เป็นของแข็งที่เป็นผลึก และเกือบทั้งหมดมีคุณสมบัติเป็นด่าง (alkaline) ซึ่งเป็นที่มาของชื่อ "อัลคาลอยด์" อัลคาลอยด์มีรสขม และหลายชนิดมีฤทธิ์ทางเภสัชวิทยาที่รุนแรง แม้ในปริมาณเพียงเล็กน้อย
Plants produce alkaloids for various postulated functions: as poisonous agents to protect against herbivory, as end products of detoxification reactions, as regulatory growth factors influencing plant development, and as nitrogen reserves that can be mobilized when needed.
หน้าที่ของอัลคาลอยด์ในพืชยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ แต่มีสมมติฐานหลายประการที่ได้รับการเสนอ ดังนี้:
- สารพิษเพื่อการป้องกัน: อัลคาลอยด์ทำหน้าที่เป็นสารเคมีป้องกันตัวจากสัตว์กินพืช แมลง และจุลินทรีย์ รสขมของอัลคาลอยด์ทำให้สัตว์หลีกเลี่ยงการกินพืชเหล่านี้
- ผลผลิตสุดท้ายของการกำจัดพิษ: อัลคาลอยด์อาจเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการเผาผลาญ ซึ่งพืชสร้างขึ้นเพื่อกำจัดสารพิษที่เกิดจากเมแทบอลิซึม โดยเปลี่ยนสารพิษให้อยู่ในรูปที่ไม่เป็นอันตราย
- ปัจจัยควบคุมการเจริญเติบโต: อัลคาลอยด์บางชนิดมีบทบาทในการควบคุมการเจริญเติบโตและการพัฒนาของพืช คล้ายกับฮอร์โมนพืช
- แหล่งสำรองไนโตรเจน: อัลคาลอยด์อาจทำหน้าที่เป็นแหล่งเก็บสำรองไนโตรเจน ซึ่งพืชสามารถนำกลับมาใช้ได้เมื่อต้องการไนโตรเจนสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนหรือกรดนิวคลีอิก
การกระจายตัวและการเกิดของอัลคาลอยด์
Alkaloids are found in approximately 40% of plant families and accumulate in 15-20% of vascular plants. They are universal in Papaveraceae, common in Amaryllidaceae and Rutaceae, but rare in Apiaceae. Annual plants tend to contain more alkaloids than perennials, and concentration varies from 0.01% to 12% of dry weight.
อัลคาลอยด์พบได้ในพืชประมาณ 40% ของวงศ์พืชทั้งหมด และสะสมอยู่ในพืชมีท่อลำเลียง (vascular plants) ประมาณ 15-20% อัลคาลอยด์พบได้ทุกชนิดในวงศ์ Papaveraceae (วงศ์ฝิ่น) พบได้บ่อยในวงศ์ Amaryllidaceae (วงศ์พลับพลึง) และ Rutaceae (วงศ์ส้ม) แต่พบได้น้อยในวงศ์ Apiaceae (วงศ์ผักชี)
พืชล้มลุก (annual plants) มีแนวโน้มที่จะมีอัลคาลอยด์มากกว่าพืชยืนต้น (perennials) ความเข้มข้นของอัลคาลอยด์ในพืชแตกต่างกันอย่างมาก ตั้งแต่ 0.01% ถึง 12% ของน้ำหนักแห้ง พืชที่มีอัลคาลอยด์มากกว่า 0.05% จัดเป็น "พืชที่มีอัลคาลอยด์" (alkaloid-bearing plant)
ปริมาณอัลคาลอยด์ในพืชขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย ได้แก่ สายพันธุ์ของพืช สถานที่ปลูก สภาพอากาศ ฤดูกาล และส่วนของพืชที่เก็บเกี่ยว ตัวอย่างเช่น นิโคติน (nicotine) ถูกสังเคราะห์ขึ้นที่รากของต้นยาสูบ แต่ไปสะสมที่ใบ ดังนั้นส่วนต่างๆ ของพืชชนิดเดียวกันอาจมีปริมาณอัลคาลอยด์แตกต่างกันอย่างมาก
สภาพแวดล้อมในการเจริญเติบโตก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน พืชชนิดเดียวกันที่ปลูกในสถานที่ต่างกันอาจมีปริมาณอัลคาลอยด์ต่างกัน ปัจจัยเช่น ชนิดของดิน ปริมาณน้ำฝน ระดับความสูง และช่วงแสงสว่าง ล้วนมีผลต่อการผลิตอัลคาลอยด์ของพืช
การจำแนกประเภทและการตั้งชื่ออัลคาลอยด์
Alkaloids are classified based on their ring system type and biosynthetic origin from protein amino acids. Names conventionally end in "-ine" and may derive from the plant genus (atropine from Atropa), species (cocaine from Erythroxylum coca), pharmacological effect (emetine for emetic properties), or discoverer (lobeline after botanist L'Obel).
การจำแนกประเภทอัลคาลอยด์อาศัยหลักเกณฑ์สองประการหลัก คือ ชนิดของระบบวงแหวน (ring system) และแหล่งกำเนิดทางชีวสังเคราะห์ (biosynthetic origin) จากกรดอะมิโนโปรตีน อัลคาลอยด์แต่ละกลุ่มมีโครงสร้างวงแหวนพื้นฐานที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งกำหนดคุณสมบัติทางเคมีและฤทธิ์ทางเภสัชวิทยาของสารในกลุ่มนั้น
การตั้งชื่ออัลคาลอยด์ตามธรรมเนียมจะลงท้ายด้วย "-ine" (-อีน) ชื่อของอัลคาลอยด์อาจมาจากหลายแหล่ง ได้แก่:
- ชื่อสกุลของพืช: อะโทรปีน (atropine) จากพืชสกุล Atropa
- ชื่อชนิดของพืช: โคเคน (cocaine) จาก Erythroxylum coca
- ชื่อแหล่งที่มา: เออร์กอตามีน (ergotamine) จากเออร์กอต (ergot) ซึ่งเป็นเชื้อราที่เติบโตบนธัญพืช
- ฤทธิ์ทางเภสัชวิทยา: เอเมทีน (emetine) จากคำว่า emetic ที่หมายถึง "ทำให้อาเจียน"
- ชื่อนักพฤกษศาสตร์: โลเบลีน (lobeline) ตั้งตามชื่อนักพฤกษศาสตร์ L'Obel
ตารางต่อไปนี้แสดงกลุ่มหลักของอัลคาลอยด์ที่จำแนกตามระบบวงแหวน:
| กลุ่มอัลคาลอยด์ | ชื่อภาษาอังกฤษ | ตัวอย่างสาร |
|---|---|---|
| ไพร์โรล | Pyrrole | พอร์ฟีริน (porphyrin) |
| ไพร์โรลิดีน | Pyrrolidine | นิโคติน (nicotine), ไฮกรีน (hygrine) |
| ไพเพอริดีน | Piperidine | โคนีอีน (coniine), โลเบลีน (lobeline) |
| โทรเพน | Tropane | อะโทรปีน (atropine), โคเคน (cocaine) |
| ไพร์โรลิซิดีน | Pyrrolizidine | เซเนซิโอนีน (senecionine) |
| ไอโซควิโนลีน | Isoquinoline | มอร์ฟีน (morphine), โคดีอีน (codeine) |
| อินโดล | Indole | สตริกนีน (strychnine), วินคริสทีน (vincristine) |
| เบตา-คาร์โบลีน | β-Carboline | ฮาร์มีน (harmine) |
| ควิโนลีน | Quinoline | ควินีน (quinine) |
| ควิโนลิซิดีน | Quinolizidine | ลูพินีน (lupinine), สปาร์ทีน (sparteine) |
คุณสมบัติทางเภสัชวิทยา
Alkaloids have profound pharmacological significance and raise major cultural issues. Nicotine, heroin, and cocaine are sources of widespread addiction, while psilocybin and mescaline have been used as entheogens. Some alkaloids are extremely toxic (coniine, strychnine), while others are indispensable pharmaceuticals (atropine, codeine, morphine, vincristine).
อัลคาลอยด์เป็นกลุ่มสารที่มีความสำคัญทางวัฒนธรรมอย่างยิ่ง นิโคติน (nicotine) เฮโรอีน (heroin) และโคเคน (cocaine) เป็นสาเหตุของการเสพติดที่แพร่หลายทั่วโลก ในขณะที่สารเช่น ไซโลไซบิน (psilocybin) และเมสคาลีน (mescaline) ถูกใช้ในพิธีกรรมทางจิตวิญญาณในฐานะ "สารก่อประสบการณ์ทางจิตวิญญาณ" (entheogens) มาเป็นเวลาหลายพันปี
อัลคาลอยด์บางชนิดมีความเป็นพิษสูงมาก เช่น โคนีอีน (coniine) จากต้นเฮมล็อคที่ใช้ประหารโสเครตีส และสตริกนีน (strychnine) ที่ทำให้เกิดอาการชักจนเสียชีวิต ในขณะเดียวกัน อัลคาลอยด์หลายชนิดเป็นยาสำคัญที่ขาดไม่ได้ เช่น อะโทรปีน (atropine) โคดีอีน (codeine) มอร์ฟีน (morphine) และวินคริสทีน (vincristine) ซึ่งเป็นยาต้านมะเร็ง
ฤทธิ์ทางเภสัชวิทยาของอัลคาลอยด์มีความหลากหลายอย่างมาก ครอบคลุมระบบต่างๆ ของร่างกาย ได้แก่:
- การระงับปวด (analgesia): มอร์ฟีนและโคดีอีนเป็นยาแก้ปวดที่มีประสิทธิภาพสูง
- การชาเฉพาะที่ (local anesthesia): โคเคนเป็นยาชาเฉพาะที่ตัวแรกที่ถูกค้นพบ
- การกระตุ้นหัวใจ (cardiac stimulation): อัลคาลอยด์บางชนิดมีผลต่อการทำงานของหัวใจ
- การกระตุ้น/คลายระบบทางเดินหายใจ (respiratory stimulation/relaxation): มีผลต่อกล้ามเนื้อหลอดลม
- การหดตัวของหลอดเลือด (vasoconstriction): เออร์กอตามีนทำให้หลอดเลือดหดตัว
- การคลายกล้ามเนื้อ (muscle relaxation): ดี-ทูโบคูรารีนเป็นสารคลายกล้ามเนื้อ
- ความเป็นพิษ (toxicity): อัลคาลอยด์หลายชนิดเป็นพิษร้ายแรง
- ฤทธิ์ต้านมะเร็ง (antineoplastic properties): วินคริสทีนและวินบลาสทีนจากพืชแพงพวย
Alkaloids interact with various enzyme systems, either inhibiting or modifying their activity. Table 8.2 shows specific alkaloid-enzyme interactions including theophylline on alkaline phosphatase, colchicine on various phosphatases, quinidine on glycolytic enzymes, and methylated xanthines on xanthine oxidase.
อัลคาลอยด์มีปฏิสัมพันธ์กับระบบเอนไซม์ต่างๆ ในร่างกาย ตารางต่อไปนี้แสดงตัวอย่างผลของอัลคาลอยด์ที่มีต่อเอนไซม์เฉพาะ:
| อัลคาลอยด์ | เอนไซม์ที่ได้รับผลกระทบ |
|---|---|
| ธีโอฟิลลีน (Theophylline) | อัลคาไลน์ฟอสฟาเทส (Alkaline phosphatase) |
| โปรโตเบอร์เบอรีน (Protoberberines) | ลิเวอร์แอลกอฮอล์ดีไฮโดรจีเนส (Liver alcohol dehydrogenase) |
| โคลชิซีน (Colchicine) | ฟอสฟาเทสหลายชนิด (Various phosphatases) |
| มิโมซีน (Mimosine) | ไพริดอกซาลฟอสเฟตเอนไซม์ (Pyridoxal phosphate enzymes) |
| ควินิดีน (Quinidine) | เอนไซม์ไกลโคไลติกหลายชนิด (Several glycolytic enzymes) |
| ไอโซควิโนลีน (Isoquinolines) | ไทโรซีนไฮดรอกซิเลส (Tyrosine hydroxylase) |
| ดี-ทูโบคูรารีน (d-Tubocurarine) | ดีไฮโดรจีเนสหลายชนิด (Several dehydrogenases) |
| อินโดลิซิดีน (Indolizidines) | แอลฟา-แมนโนซิเดส (α-mannosidase) |
| เมทิลเลเต็ดแซนทีน (Methylated xanthines) | แซนทีนออกซิเดส (Xanthine oxidase) |