Alkaloid - Hợp chất tự nhiên chứa nitrogen

Alkaloid là từ phiên âm chưa hoàn chỉnh sang tiếng Việt của alkaloid (tiếng Anh), alcaloïde (tiếng Pháp) hoặc алкалоид (tiếng Nga). Đây là các amin có nguồn gốc tự nhiên, chủ yếu từ thực vật, nhưng cũng xuất hiện ở động vật và nấm. Nhiều alkaloid có tác dụng dược lý trên con người và động vật. Thuật ngữ này xuất phát từ từ 'alkali' (kiềm) và ban đầu được dùng để chỉ bất kỳ base hữu cơ nào chứa nitrogen. Các alkaloid thường là dẫn xuất của các amino acid và phần lớn có vị đắng. Chúng được tìm thấy như các chất chuyển hóa phụ trong thực vật (như khoai tây, cà chua), động vật (như tôm, cua) và nấm. Nhiều alkaloid có thể được tinh chế từ dịch chiết thô bằng phương pháp chiết axít-base.

Mặc dù nhiều alkaloid là chất độc, một số lại được ứng dụng trong y học như chất giảm đau hoặc gây tê, ví dụ như morphin và codein, cùng một số ứng dụng khác.

Khái niệm về alcaloid

Polonopski định nghĩa rằng: 'Alkaloid là các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, thường có cấu trúc dị vòng, có tính kiềm, thường thấy trong thực vật và đôi khi trong động vật, thường có dược tính mạnh và phản ứng với một số thuốc thử đặc trưng của alkaloid.'

Tuy nhiên, có một số alkaloid mà nitơ không nằm trong dị vòng mà ở mạch nhánh, chẳng hạn như: ephedrine trong cây Ma hoàng Ephedra sinica Staf., capsaisin trong cây Ớt Capsicum annuum L., hordenin trong mầm mạch nha Hordenum sativum Jess., colchicine trong hạt cây tỏi độc Colchicum autumnale L.. Một số alkaloid không có phản ứng với kiềm như colchicine từ hạt tỏi độc, ricinin từ hạt thầu dầu Ricinus communis L., theobromin trong hạt cacao Theobroma cacao L., và một số alkaloid khác phản ứng với acid yếu như arecaidin và guvacin trong hạt cau Areca catechu L..

Phân loại alkaloid

Các nhóm alkaloid hiện nay được phân loại như sau:

• Nhóm pyridin: piperin, coniin, trigonellin, arecaidin, guvacin, pilocarpin, cytisin, spartein, pelletierin.
• Nhóm pyrrolidin: hygrin, cuscohygrin, nicotin.
• Nhóm tropan: atropin, cocain, ecgonin, scopolamin.
• Nhóm quinolin: quinin, quinidin, dihydroquinin, dihydroquinidin, strychnin, brucin, veratrin, cevadin.
• Nhóm isoquinolin: Các alkaloid gốc thuốc phiện như morphin, codein, thebain, papaverin, narcotin, sanguinarin, narcein, hydrastin, berberin.
• Nhóm phenethylamin: mescalin, ephedrin, dopamin, amphetamin.
• Nhóm indol:
  • Các tryptamin: DMT, N-methyltryptamin, psilocybin, serotonin.
  • Các ergolin: Các alkaloid từ cựa ngũ cốc như ergin, ergotamin, axít lysergic, v.v.
  • Các beta-carbolin: harmin, harmalin, yohimbin, reserpin, emetin.
  • Các alkaloid từ chi Ba gạc (Rauwolfia): reserpin.
• Nhóm purin:
  • Các xanthin: caffein, theobromin, theophyllin.
• Nhóm terpenoid:
  • Các alkaloid aconit: aconitin.
  • Các steroid: solanin, samandarin (các hợp chất amoni bậc bốn): muscarin, cholin, neurin.
• Các alkaloid từ dừa cạn (chi Vinca) và các họ hàng của nó: vinblastin, vincristin. Chúng là các chất chống ung thư, liên kết với các nhị trùng tubulin tự do, ngăn cản sự trùng hợp vi quản, kìm hãm tế bào trong quá trình phân bào.

Lý tính của các alkaloid

Phần lớn các alkaloid tự nhiên có chứa oxy trong cấu trúc, nghĩa là công thức của chúng bao gồm C, H, N, O, và thường tồn tại ở dạng rắn ở nhiệt độ phòng.

Ví dụ: Morphine, codein, strychnin, quinin, reserpin.

Những alkaloid không chứa oxy trong thành phần cấu trúc thường ở dạng lỏng, tuy nhiên cũng có một vài trường hợp ngoại lệ.

Ví dụ: Coniin, nicotin, spartein.

Các alkaloid ở thể rắn thường có khả năng kết tinh và có điểm chảy rõ ràng, tuy nhiên cũng có những alkaloid không có điểm chảy vì bị phân hủy trước khi đạt đến nhiệt độ chảy.

Các alkaloid ở thể lỏng thường có khả năng bay hơi và bền vững, không bị phân hủy ở nhiệt độ sôi nên có thể được tách ra khỏi dược liệu bằng phương pháp cất kéo hơi nước.

Dựa trên độ tan khác nhau của base alkaloid và muối alkaloid, người ta sử dụng dung môi thích hợp để chiết xuất và tinh chế các alkaloid.

Hóa tính của alkaloid

• Một số alkaloid như nicotin có tác dụng như base mạnh, có khả năng làm xanh giấy quỳ đỏ.
• Đa số các alkaloid có tính base yếu.
• Một số alkaloid như cafein, piperin có tính base rất yếu.
• Một số trường hợp ngoại lệ như colchicin, ricinin, theobromin không có phản ứng kiềm.
• Đặc biệt, một số chất như arecaidin, guvacin có phản ứng acid yếu.

Do có tính base yếu, alcaloid có thể được giải phóng khỏi muối của nó bằng cách sử dụng dung dịch kiềm trung bình và mạnh như NH4OH, NaOH…

Các alcaloid có khả năng phản ứng với một số thuốc thử đặc trưng của nhóm alcaloid.

Tác động sinh học của alcaloid

Công dụng của các alkaloid rất đa dạng và phong phú, tùy thuộc vào từng loại cụ thể.

• Tác động lên hệ thần kinh

Kích thích hệ thần kinh trung ương: strychnine, caffeine

Ức chế hệ thần kinh trung ương: morphin, codeine

Kích thích hệ thần kinh giao cảm: ephedrine

Gây liệt hệ thần kinh giao cảm: yohimbin

Kích thích hệ thần kinh phó giao cảm: pilocarpin

Gây liệt hệ thần kinh phó giao cảm: atropine

Gây tê: cocaine

• Hạ huyết áp: reserpine, serpentin
• Chống ung thư: taxol, vinblastine, vincristine
• Diệt ký sinh trùng và vi khuẩn: quinine, berberine, arecoline, emetine

Phân lập alkaloid

Trong thực vật, các alkaloid thường tồn tại dưới dạng muối với các axit hữu cơ, và mỗi loài cây có thể chứa một tập hợp alkaloid đặc trưng với các nhóm chính và phụ. Hàm lượng của các alkaloid này thay đổi tùy thuộc vào giống cây, thời vụ và điều kiện địa lý.

Để chiết xuất alkaloid, cần thực hiện các bước sau:

a) Nghiền nát nguyên liệu thành bột mịn, sau đó ngâm trong dung dịch HCl 1% (hoặc dung dịch soda) để chuyển toàn bộ alkaloid thành muối chlorhydrat dễ tan.

b) Lọc dung dịch muối thu được, sau đó kiềm hóa để tách hoàn toàn alkaloid ra khỏi muối.

c) Cất bằng phương pháp cuốn hơi nước hoặc chiết xuất bằng dung môi hữu cơ như chloroform, benzen, v.v.

d) Thực hiện sắc ký hoặc sắc ký bản mỏng để tinh chế và phân lập từng alkaloid riêng lẻ.

e) Xác định cấu trúc của các alkaloid, thử nghiệm hoạt tính sinh học và áp dụng sản phẩm vào thực tiễn.

Thuộc tính hóa lý

• Khối lượng phân tử: dao động từ 100 đến 900.
• Các alkaloid không chứa oxy trong cấu trúc thường là chất lỏng ở nhiệt độ phòng, như nicotin, spartein, coniin.
• Các alkaloid chứa oxy thường ở dạng rắn kết tinh ở nhiệt độ phòng, chẳng hạn như berberin.
• Có hoạt tính quang học.
• Tính kiềm phụ thuộc vào khả năng của các cặp electron đơn độc trên nguyên tử nitơ và cấu trúc vòng cùng các nhóm thay thế.
• Có khả năng tạo muối với axit vô cơ (như HCl, H₂SO₄, HNO₃) hoặc axit hữu cơ (như muối tartrat, sulfamat, maleat).

Cơ chế hình thành alkaloid trong cây

Sử dụng phương pháp đánh dấu đồng vị phóng xạ, người ta đã chứng minh rằng alkaloid được tạo ra từ các amino acid. Amino acid chứa C và N được đưa vào môi trường nuôi cấy hoặc tiêm vào cây. Sau khi chiết xuất và phân lập, alkaloid thể hiện tính phóng xạ. Phân tích sự phân hủy cho thấy hầu hết nguyên tử nitơ và carbon từ amino acid đều có mặt trong cấu trúc cơ bản của alkaloid.

Nơi sản xuất alkaloid không phải lúc nào cũng trùng với nơi tích tụ chúng. Nhiều alkaloid, dù được tạo ra ở rễ, lại được vận chuyển lên các bộ phận trên mặt đất của cây. Sau khi trải qua các biến đổi thứ cấp, chúng sẽ được tích lũy tại lá, quả hoặc hạt.

Ví dụ, L-hyoscryamin trong cây Beladon được tổng hợp ở rễ và sau đó di chuyển lên các bộ phận trên mặt đất. Khi cây được 1 tuổi, thân cây chứa nhiều alkaloid hơn lá; khi cây 2 tuổi, thân cây ngày càng hóa gỗ, lượng alkaloid giảm, và hàm lượng alkaloid ở phần ngọn đạt mức tối đa khi cây ra hoa, sau đó giảm khi quả chín.

Phân bố trong tự nhiên

• Alkaloid phổ biến trong thực vật và tập trung ở một số họ đặc biệt:

Họ Apocynaceae (họ Trúc đào) chứa khoảng 800 loại alkaloid khác nhau.

Họ Papaveraceae (họ Thuốc phiện) chứa gần 400 loại alkaloid.

Họ Fabaceae (họ Đậu) có khoảng 350 loại alkaloid.

Họ Solanaceae (họ Cà) bao gồm gần 200 loại alkaloid.

• Trong nấm, alkaloid được tìm thấy ở nấm cựa khỏa mạch (Claviceps purpurea) và nấm Amanita phalloides.
• Ở động vật, alkaloid cũng được phát hiện ngày càng nhiều; ví dụ, alkaloid samandarin, samandaridin, samanin có trong tuyến da của kỳ nhông, và bufotenin, bufotenidin, dehydrobufotenin có trong nhựa cóc.
• Trong thực vật, alkaloid thường tập trung ở một số bộ phận nhất định.
• Thường thì thực vật chứa hỗn hợp nhiều loại alkaloid, với các alkaloid chính có hàm lượng cao hơn.
• Các alkaloid trong cùng một họ thực vật thường có cấu trúc tương tự nhau.
• Hàm lượng alkaloid trong cây thường thấp; dược liệu chứa từ 1-3% alkaloid đã được coi là cao.
• Hàm lượng alkaloid chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như khí hậu, ánh sáng, loại đất, phân bón, giống cây, bộ phận thu hái và thời điểm thu hái. Do đó, việc nghiên cứu phương pháp trồng trọt, thu hái và bảo quản là cần thiết để đảm bảo hàm lượng hoạt chất cao.
• Alkaloid trong cây thường tồn tại dưới dạng muối của các acid hữu cơ như citrat, tartrat, oxalat, acetat… thay vì ở dạng tự do (alkaloid base).
• Trong một số trường hợp hiếm, alkaloid kết hợp với đường để tạo thành glycoalkaloid, chẳng hạn như solasonin và solamacgin trong cây Cà lá xẻ (Solanum laciniatum).

Sách tham khảo

2. Khoa Dược (2008), 'Giáo trình Dược liệu', tập 2, Nhà xuất bản Đại học Y Dược TP.HCM.

3. Phạm Thanh Kỳ (1998), 'Bài giảng Dược liệu', tập II, Nhà xuất bản Đại học Dược Hà Nội.

4. Đỗ Tất Lợi (2004), 'Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam', Nhà xuất bản Y học.

5. Nguyễn Kim Phi Phụng (2007), 'Phương pháp cô lập hợp chất hữu cơ', Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM.

6. Ngô Văn Thu (2011), 'Bài giảng Dược liệu', tập I, Nhà xuất bản Đại học Dược Hà Nội.

7. Viện Dược liệu (2004), 'Cây thuốc và động vật dùng làm thuốc ở Việt Nam', tập I, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

8. Viện Dược liệu (2004), 'Cây thuốc và động vật dùng làm thuốc ở Việt Nam', tập II, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

Tài liệu tham khảo