Alkaloide

Strukturformel des Alkaloids Morphin

Alkaloide (Wortbildung aus arabisch القلية, DMG al-qalya ‚die Pflanzenasche‘ und griechisch -oides: „ähnlich“) sind natürlich vorkommende, chemisch heterogene, meist alkalische, stickstoffhaltige organische Verbindungen des Sekundärstoffwechsels, die auf den tierischen oder menschlichen Organismus wirken. Über 10.000 verschiedene pflanzliche, tierische oder von Mikroorganismen produzierte Substanzen werden dieser Stoffgruppe zugeordnet. Der Begriff wurde 1819 vom Hallenser Apotheker Carl Friedrich Wilhelm Meißner für „alkaliähnliche“ Pflanzenstoffe, wie Morphin, Strychnin und Solanin, geprägt. Eine zufriedenstellende und allgemein akzeptierte Definition für den Begriff „Alkaloid“ existiert jedoch bis heute nicht.

Definitionen

Der Begriff Alkaloid war ursprünglich eine allgemeine Bezeichnung für aus Pflanzen isolierte basische Stoffe. Später wurden Alkaloide auch aus anderen Organismen, wie Pilzen (z. B. Mutterkornalkaloide) und Tieren (z. B. das Krötenalkaloid Bufotenin) isoliert, so dass die Definition erweitert wurde. Des Weiteren wurde der Alkaloidbegriff teilweise auch auf einige nicht-basische Naturstoffe, wie beispielsweise das Herbstzeitlosen-Alkaloid Colchicin, das Capsaicin des Cayennepfeffers oder die Purin-Alkaloide Coffein, Theophyllin und Theobromin, ausgedehnt.

Allen Alkaloiden ist gemein, dass sie direkt auf den tierischen und menschlichen Organismus charakteristische Wirkungen haben. Die meisten sind giftig und haben einen bitteren Geschmack. Die Basizität ist ein häufiges, aber nicht essenzielles Merkmal dieser Substanzgruppe. Basische Antibiotika, wie beispielsweise Streptomycin, die auf Mikroorganismen wirken, werden in der Regel nicht als Alkaloide bezeichnet. Darüber hinaus sind alle Alkaloide Produkte des Sekundärstoffwechsels. Sie werden für den Grundstoffwechsel der sie bildenden Organismen nicht benötigt, sondern häufig als Schutz vor Fressfeinden eingesetzt. Basische Aminosäuren oder Peptide, welche Primärstoffwechselprodukte sind, werden daher nicht den Alkaloiden zugeordnet.

Einige strenge Definitionen fordern, dass der Stickstoff Teil eines heterocyclischen, biogenetisch von Aminosäuren abgeleiteten Systems ist. Diese Definition gliedert beispielsweise die Protoalkaloide Ephedrin und Mescalin sowie die Pseudoalkaloide Coniin und Coffein aus der Familie der Alkaloide aus. Auch Atropin ist als künstliches Racemisierungsprodukt des (S)-Hyoscyamins nach strenger Auslegung kein Alkaloid.

Geschichte

Das erste isolierte Alkaloid war Morphin, das Friedrich Wilhelm Sertürner 1804 in Reinform aus Schlafmohn extrahierte. Der Begriff „Alkaloide“ wurde 1819 von Carl Friedrich Wilhelm Meissner eingeführt. Mit der industriellen Produktion von Alkaloiden begann Emanuel Merck 1827 in Darmstadt. 1885 gelang dem Chemiker August Wilhelm von Hofmann die Strukturaufklärung und Synthese des ersten Alkaloids, des Coniins.

Einteilung

Alkaloide können nach verschiedenen Kriterien unterteilt werden. Üblich sind Kategorisierungen nach ihrer chemischen Struktur, ihrer Herkunft, ihrer Biogenese und ihrer pharmakologischen Wirkung.

Einteilung nach chemischer Struktur

Die in der Literatur am häufigsten verwendete Einteilung der Alkaloide ist die Kategorisierung entsprechend ihrer chemischen Struktur. Namensgebend ist der Teil des Moleküls, der einen Stickstoff enthält.

• Alkaloide mit heterocyclischem Stickstoff
  • Pyrrolidin-Alkaloide: z. B. Hygrin
  • Steroid-Alkaloide: z. B. Solanin
  • Pyridin-Alkaloide: z. B. Nicotin, Anabasin
  • Piperidin-Alkaloide: z. B. Piperin
  • Tropan-Alkaloide: z. B. Hyoscyamin, Scopolamin, Kokain
  • Chinolin-Alkaloide: z. B. Chinin, Chinidin
  • Isochinolin-Alkaloide: z. B. Morphin, Codein, Papaverin, Berberin, Tubocurarin
  • Indol-Alkaloide: z. B. Ajmalin, Ergotamin, Yohimbin, Reserpin, Strychnin
  • Purinalkaloide: z. B. Coffein, Theophyllin, Theobromin
• Alkaloide mit acyclischem Stickstoff: z. B. Ephedrin, Mescalin

Einteilung nach Herkunft

Roggenähre mit Mutterkorn

Schlafmohn, Papaver somniferum, aus dessen Milch Opiate gewonnen werden

Alkaloide können auch nach charakteristischen Organismen, die sie produzieren, oder nach Drogen, in denen sie enthalten sind, benannt und eingeteilt werden.

• Curare-Alkaloide: z. B. Toxiferin, Tubocurarin, Alcuronium
• Mutterkorn-Alkaloide: z. B. Ergotamin, Ergometrin
• Opiate: z. B. Morphin, Codein, Thebain, Papaverin, Noscapin, Cryptopin
• Vinca-Alkaloide: z. B. Vincristin, Vinblastin

Einteilung nach Biogenese

Eine weitere Einteilung der Alkaloide kann anhand Gemeinsamkeiten und Unterschieden in ihrer Biosynthese erfolgen. Dabei werden Alkaloide entsprechend der Aminosäure geordnet, die als Stickstoffquelle in der Biosynthese genutzt werden.

• von Asparaginsäure oder Lysin abgeleitete Alkaloide: z. B. Nicotin, Lupinin
• vom Glycin abgeleitete Alkaloide: z. B. Coffein, Theophyllin, Theobromin
• vom Histidin abgeleitete Alkaloide: z. B. Pilocarpin
• vom Ornithin abgeleitete Alkaloide: z. B. Hyoscyamin, Scopolamin, Kokain
• vom Phenylalanin oder Tyrosin abgeleitete Alkaloide: z. B. Colchicin, Morphin, Codein, Papaverin, Tubocurarin, Berberin
• vom Tryptophan abgeleitete Alkaloide: z. B. Ergotamin, Ergometrin, Ajmalin, Reserpin, Strychnin

Dem gegenüber weist der Sammelbegriff Terpenalkaloide, zu denen beispielsweise die Alkaloide Coniin und Aconitin zählen, auf die biogenetische Herkunft des Kohlenstoffgrundgerüstes aus dem Terpenstoffwechsel hin.

Einteilung nach ihrer pharmakologischen Wirkung

• nach pharmakologischer Wirkung; z. B. Halluzinogene

Gewinnung

Die im biologischen Material hauptsächlich in Form ihrer Essig-, Oxal-, Milch-, Wein-, Aconit- oder Chinasäure-Salze, seltener in Reinform oder als Ester vorliegenden Alkaloide werden auf klassische Weise durch Extraktion gewonnen. Das Verfahren der Extraktion hängt von den physiokochemischen Eigenschaften der zu isolierenden Alkaloide ab. Für die Extraktion der meisten Alkaloide hat sich die Verwendung des polaren Lösungsmittels Methanol unter Zusatz von Essigsäure bewährt. Nach Eindampfen und Aufnahme in einem wässrigen sauren Medium (z. B. verdünnte Salzsäure) können Fremdbestandteile, wie Fette und andere lipophile Stoffe, durch Extraktion mit dem lipophilen Lösungsmittel Ether entfernt werden. Für die Extraktion der Alkaloide aus der wässrigen Phase hat sich Chloroform nach Alkalisierung mit Natronlauge oder einer anderen geeigneten Base bewährt. Aus der Chloroformphase geht nach Trocknen und Eindampfen in der Regel ein Alkaloidgemisch hervor, das bevorzugt durch chromatographische Trennung aufgetrennt werden kann. Für die Isolierung von lipidunlöslichen Alkaloiden mit einer quartären Ammoniumstruktur kann eine Fällung mit Pikrin- oder Reineckesäure durchgeführt werden.

Alternativ dazu ist für zahlreiche Alkalkoide eine Partialsynthese oder chemische Totalsynthese möglich. Die Herstellung von Alkaloiden über eine Partial- oder Totalsynthese findet insbesondere dann Anwendung, wenn die künstliche Herstellung gegenüber der Extraktion preisgünstiger ist. Ein Beispiel für üblicherweise synthetisch hergestellte Alkaloide ist das Theophyllin.

Analytik

Als klassisches Nachweisreagenz für Alkaloide wird Dragendorff-Reagenz verwendet. In Gegenwart von Alkaloiden bildet sich ein Ionenpaar mit der Zusammensetzung [BiI₄]^–[NHR₃]⁺, das, je nach Alkaloid, als gelboranges bis braunes Präzipitat zu erkennen ist. Alternativ dazu werden auch Mayers Reagenz (Tetraiodomercurat), Silicowolframsäure, Wagners Reagenz (Iod-Kaliumiodid), Sonnenscheins Reagenz (Phosphomolybdänsäure), Iodoplatinat und weitere als Nachweisreagenz verwendet. Die Selektivität dieser Nachweisreagenzien variiert stark und ist innerhalb der Gruppe der Alkaloide begrenzt. Um die Selektivität zu erhöhen, werden sie in der Regel in Kombination mit chromatographischen Verfahren, wie der Dünnschichtchromatographie eingesetzt.

Literatur

• Jürgen Müller: Die Konstitutionserforschung der Alkaloide: Die Pyridin-Piperidin-Gruppe. Deutscher Apotheker Verlag (1998), ISBN 3-7692-0899-4
• Eberhard Breitmaier: Alkaloide. Betäubungsmittel, Halluzinogene und andere Wirkstoffe, Leitstrukturen aus der Natur. 3.Aufl., Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden (2008), ISBN 978-3-8348-0531-7
• Waltraud Stammel, Helmut Thomas: Endogene Alkaloide in Säugetieren. Ein Beitrag zur Pharmakologie von körpereigenen Neurotoxinen. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. 60(3), S. 117–124 (2007), ISSN 0028-1050
• Manfred Hesse: Alkaloide. Fluch oder Segen der Natur?. Verl. Helvetica Chimica Acta, Zürich (2000), ISBN 3-906390-19-5

Weblinks

 Commons: Alkaloide – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• Biosynthese der Alkaloide (Memento vom 22. April 2009 im Internet Archive)
• heilpflanzen-suchmaschine.de: Alkaloide