Алкалоїди рослин

Більшість алкалоїдів складається з C, H, N та O (іноді S, дуже рідко Cl чи Br). Кисневмісні алкалоїди (морфін, хінін, атропін, стрихнін, резерпін, кофеїн) — тверді нелеткі безбарвні кристалічні або аморфні речовини без запаху, з різко гірким смаком. Безкисневі (нікотин, анабазин, коніїн, спартеїн, пахікарпін) — переважно безбарвні чи жовтуваті оліїсті рідини з різким запахом, які переганяються з водяною парою (цю властивість використовують для їх виділення), а їхні солі — тверді кристалічні речовини ^[3].

Сполуки з довгою системою спряжених подвійних зв'язків і четвертинним азотом забарвлені: берберин і хелідонін — яскраво-жовті, сангвінарин — оранжево-червоний, колхіцин — жовтуватий. В ультрафіолеті (254–365 нм) багато індольних, хінолінових та ізохінолінових алкалоїдів флуоресціюють: розчин сульфату хініну в розведеній сірчаній кислоті світиться блакитним, берберин — золотисто-жовтим.

Сила основності залежить від гібридизації орбіталі азоту й сусідніх замісників (константи pK_a спряженої кислоти):

Найсильніші основи (pK_a > 11) — четвертинні амонієві сполуки (берберин, сангвінарин, D-тубокурарин); сильні (8,5–10,5) — насичені гетероциклічні вторинні й третинні аміни (коніїн, тропан, спартеїн, лупінін); помірні (6,5–8,5) — морфін, хінін, папаверин, стрихнін; дуже слабкі (0,5–2) — пуринові алкалоїди (кофеїн, теобромін: електронна пара азоту делокалізована в ароматичній і карбонільній системі) та амідний колхіцин, який практично не утворює стійких солей з мінеральними кислотами. Для порівняння: константа основності кодеїну K_b ≈ 9·10⁻⁷, кофеїну — 4,1·10⁻¹⁴ ^[3].

Приєднуючи протон, азот утворює стабільні кристалічні солі; сильні луги (NaOH, KOH, аміак, карбонати) витісняють вільні основи з солей. Алкалоїди з фенольною –OH (морфін) у надлишку лугу утворюють водорозчинні феноляти, а складноефірні (атропін, кокаїн) при лужному гідролізі омиляються.

У нативних тканинах вільні основи трапляються рідко. Алкалоїди депонуються у вигляді солей органічних кислот (яблучної, лимонної, винної, щавлевої, бурштинової; специфічних — меконової в маку, хінної в хінному дереві, хелідонової в чистотілі), рідше неорганічних, і у формі N-оксидів — полярних, водорозчинних, нетоксичних для самої рослини транспортних та запасних форм (особливо піролізидинових алкалоїдів родин Asteraceae й Boraginaceae).

Біосинтез каталізують хіральні ферменти, тому майже всі природні алкалоїди оптично активні, причому в рослині переважають лівообертальні (−) ізомери, зазвичай значно активніші за правообертальні. Природний l-гіосціамін удвічі сильніше блокує периферичні М-холінорецептори, ніж рацемічний атропін (D,L-гіосціамін, що утворюється при лужному виділенні). Показова пара — діастереомери кори хінного дерева: лівообертальний хінін — протималярійний засіб, а правообертальний хінідин — антиаритмік класу ІА ^[3].

Вільні основи розчиняються в неполярних органічних розчинниках (хлороформ, дихлорметан, діетиловий етер, бензол, етилацетат) і практично не розчиняються у воді (винятки — кофеїн, ефедрин, кодеїн, нікотин, коніїн). Солі й N-оксиди, навпаки, розчинні у воді та спиртах, але не в неполярних розчинниках. На цьому ґрунтуються обидва класичні методи виділення: екстракція основ органічним розчинником після підлужування сировини або екстракція солей підкисленою водою чи спиртом із наступним очищенням зміною pH ^[3].

Перемикайте pH у моделі нижче й дивіться, куди «йде» алкалоїд — у воду (катіон) чи в органічну фазу (вільна основа).

Вміст алкалоїдів у сухій масі зазвичай становить від сотих часток відсотка до 1–3 % (понад 1 % — це вже «високоалкалоїдоносні» рослини). Рекордсмени — кора культурного хінного дерева Cinchona ledgeriana та листки махорки Nicotiana rustica, де концентрація сягає кількох відсотків і більше; у латексі маку морфінових алкалоїдів, за оцінками монографії, до ≈ 22 %.

Одна рослина рідко містить єдиний алкалоїд (як рицинін у рицині). Зазвичай це комплекс із 15–20 і більше споріднених сполук: у Papaver somniferum їх понад 40, у Catharanthus roseus — понад 130.

Загальновизнану систему запропонував швейцарський ботанік Роберт Хегнауер (1963), а розвинув її Пол Дьюїк. Вона враховує походження вуглецево-азотного скелета та положення азоту — всередині гетероциклу чи поза ним ^{[5, 4]}. Неізопреноїдні алкалоїди поділяють на три надгрупи:

1. Справжні алкалоїди (true alkaloids) — найчисленніша, класична група. Синтезуються з протеїногенних і непротеїногенних амінокислот (L-орнітину, L-лізину, L-тирозину, L-фенілаланіну, L-триптофану, L-гістидину, а також антранілової й аспарагінової кислот), а азот амінокислоти вбудовується в гетероцикл. Це піролідинові, тропанові, піролізидинові, піперидинові, хінолізидинові, індолізидинові, піридинові, ізохінолінові, індольні, хінолінові, хіназолінові, акридинові та імідазольні алкалоїди.
2. Протоалкалоїди (біогенні аміни) — теж із амінокислот (передусім ароматичних), але азот лишається поза циклом, в аліфатичному ланцюзі: похідні β-фенілетиламіну (мескалін, ефедрин, катинон, горденін), бензиламіну (капсаїцин), триптаміну (грамін) і трополонові колхіцин та колхамін.
3. Псевдоалкалоїди — азотовмісні сполуки, вуглецевий скелет яких побудований не з амінокислот, а азот приєднується пізніше (за реакціями трансамінування) або походить з пуринових нуклеотидів. Серед неізопреноїдних це пуринові (кофеїн, теобромін, теофілін — із ксантозину й інозинмонофосфату) та полікетидні піперидинові (коніїн, N-метилконіїн, γ-коніцеїн болиголова; восьмивуглецевий скелет будується з чотирьох малоніл-КоА).

У деяких системах виділяють ще поліамінні (пауцин, лунарин, вербасценін — із путресцину, спермідину, сперміну) та циклопептидні алкалоїди з 13–15-членними циклами (зизифін А, франгуланін, мукронін А у Rhamnaceae); за іншого підходу пурини відносять не до псевдо-, а до окремої четвертої групи ^[1]. Коніїн за структурою (піперидин) часто зараховують до справжніх алкалоїдів, хоча за біогенезом він — полікетидний псевдоалкалоїд.

Для структурної хімії й фармакологічного скринінгу алкалоїди групують за природою базового азотового гетероциклу (скафолду). Цей підхід узгоджується з номенклатурою ІЮПАК. На карті нижче ліворуч — амінокислотні й нуклеотидні попередники, праворуч — 15 класів ядер. Натискайте на клас: з'являться ядро, ключові проміжні сполуки, представники зі структурами та рослини-продуценти.

Вихідні сполуки — L-орнітин або L-аргінін ^{[8, 9]}.

1. Путресцин і катіон N-метил-Δ¹-піролінію. L-Орнітин декарбоксилює ODC (альтернативно L-аргінін → агматин → N-карбамоїлпутресцин → путресцин за участю ADC). Путресцин-N-метилтрансфераза (PMT) за участю SAM метилює путресцин до N-метилпутресцину — це ключовий регуляторний («committed») крок шляху. Мідь-залежна MPO окиснює його до 4-метиламінобутаналю, що спонтанно циклізується в п'ятичленний катіон N-метил-Δ¹-піролінію.
2. Тропанова гілка (Solanaceae, Erythroxylaceae). Катіон конденсується з двома молекулами малоніл-КоА за участю нетипової полікетидсинтази III типу PYKS → 4-(1-метил-2-піролідиніл)-3-оксобутанова кислота. Цитохром P450 CYP82M3 (тропінонсинтаза) каталізує внутрішньомолекулярну реакцію Манніха — утворюється біциклічний тропінон. Тут шлях розгалужується двома НАДФН-залежними редуктазами родини SDR: TR-I дає тропін (3α-ОН), TR-II — псевдотропін (3β-ОН).
3. Гілка тропіну → гіосціамін і скополамін. Тропін естерифікується феніллактоїлглюкозою (з L-Phe через фенілпіруват і феніллактат; фермент PPAR) — SCPL-ацилтрансфераза літоринсинтаза утворює літорин. CYP80F1 (літоринмутаза) вільнорадикально перегруповує літорин у гіосціаміновий альдегід, який відновлюється до l-гіосціаміну (його рацемат — атропін). Завершує каскад 2-оксоглутарат-залежна діоксигеназа H6H: спочатку гідроксилює C6 (6β-гідроксигіосціамін, анісодамін), потім замикає 6,7-епоксидний місток — утворюється скополамін.
4. Гілка псевдотропіну. У пасльонових псевдотропін веде до полігідроксильованих нортропанових калістегінів (інгібіторів глікозидаз). У куща коки (Erythroxylum coca) 3β-екгонінове ядро кокаїну синтезується зовсім іншим набором ферментів (наприклад, метилекгононредуктаза MecgoR з родини альдо-кеторедуктаз; BAHD-ацилтрансфераза кокаїнсинтаза приєднує бензоїл-КоА) — класичний приклад конвергентної еволюції вторинного метаболізму.
5. Піролізидинова гілка (Asteraceae, Boraginaceae, Fabaceae) будується виключно з двох молекул путресцину. Спеціалізована гомоспермідинсинтаза (HSS) — ген, що виник дуплікацією гена дезоксигіпузинсинтази первинного обміну, — переносить амінобутильну групу зі спермідину на путресцин → симетричний тріамін гомоспермідин. Його подвійне окисне дезамінування мідь-залежною амінооксидазою й внутрішньомолекулярна реакція Манніха формують біциклічне ядро й нецинові основи (ретронецин, платинецин, геліотридин). Етерифікація розгалуженими нециновими кислотами (з Ile, Val) дає макроциклічні диефіри — сенеціонін, платифілін, триходесмін ^[10].

L-Лізин — гомолог орнітину з додатковою групою –CH₂– — забезпечує побудову шестичленних азотових циклів ^{[8, 11]}.

1. Кадаверин і Δ¹-піперидеїн. У хлоропластах (родини Fabaceae, Campanulaceae, Lythraceae) лізиндекарбоксилаза (LDC) перетворює L-лізин на діамін кадаверин; окисне дезамінування (CuAO) дає 5-амінопентаналь, що спонтанно циклізується в шестичленну основу Шиффа Δ¹-піперидеїн.
2. Піперидинові алкалоїди. Конденсація N-метил-Δ¹-піперидеїну з ацетоацетил-КоА дає пелетьєрин (кора граната Punica granatum); приєднання двох фенілпропаноїдних фрагментів (похідних бензоїлоцтової кислоти) до C2 та C6 піперидину формує лобелін (Lobelia inflata), стимулятор дихального центру; у чорному перці піперидин ацилюється піпероїл-КоА за участю піперинсинтази — утворюється піперин; у Sedum — седамін.
3. Хінолізидинові (люпинові) алкалоїди. Біциклічний лупінін будується з двох молекул кадаверину (димеризація Δ¹-піперидеїну за Манніхом, окиснення, відновлення), тетрациклічні спартеїн, пахікарпін (D-спартеїн) і лупанін потребують трьох. У Thermopsis, Cytisus, Baptisia лупанін окисно втрачає чотиривуглецевий фрагмент кільця D — утворюється трициклічний α-піридоновий цитизин (у Laburnum його метилює SAM-залежна цитизин-N-метилтрансфераза). Весь каскад у люпині — від LDC до тетрациклічного ядра — відбувається в стромі хлоропластів мезофілу, де активність ферментів залежить від світлового підлуження (pH 8,0) і тіоредоксинової системи ^[11].
4. Індолізидинові алкалоїди (Astragalus, Oxytropis, Swainsona). Замість кадаверинового шляху L-лізин через δ-напівальдегід α-аміноадипінової кислоти перетворюється на циклічну імінокислоту L-піпеколінову кислоту, яка конденсується з малоніл-КоА → бік-кетон 1-індолізидинон; його стереоспецифічне гідроксилювання дає полігідроксиіндолізидини свайнсонін і кастаноспермін — потужні інгібітори α-манозидаз та глюкозидаз процесингу глікопротеїнів.

Це один із найскладніших і найкраще вивчених шляхів. Він дає понад 2 500 структур бензилізохінолінових алкалоїдів (БІА) у родинах Papaveraceae, Ranunculaceae, Berberidaceae, Menispermaceae ^{[8, 12]}.

Синтез центрального інтермедіату (S)-ретикуліну

1. Пул L-тирозину ділиться на дві гілки: гідроксилювання до L-ДОФА й декарбоксилювання TYDC → нуклеофільний дофамін; трансамінування TAT до 4-гідроксифенілпірувату й декарбоксилювання → електрофільний 4-гідроксифенілацетальдегід (4-HPAA).
2. Норкоклауринсинтаза (NCS) каталізує стереоселективну конденсацію Пікте — Шпенглера між ними → (S)-норкоклаурин (історична назва — гігенамін), універсальний попередник усіх БІА.
3. Чотири кроки — 6OMT (6-O-метилювання), CNMT (N-метилювання), цитохром CYP80B1 (3'-гідроксилювання) та 4'OMT (4'-O-метилювання) — перетворюють норкоклаурин на (S)-ретикулін, центральний вузол розгалуження всього обміну БІА.

Морфінанова гілка у Papaver somniferum

1. Щоб синтезувати морфін, (S)-ретикулін мусить інвертувати хіральну конфігурацію. Це робить унікальний дводоменний злитий білок STORR (ретикулінепімераза): P450-домен (CYP82Y2) окиснює (S)-ретикулін до іона 1,2-дегідроретикулінію, а оксидоредуктазний домен (AKR) стереоспецифічно відновлює його до (R)-ретикуліну.
2. Салутаридинсинтаза (CYP719B1) здійснює орто-пара фенольне окисне спряження → тетрациклічний скелет морфінану — салутаридин. SalR (НАДФН) відновлює кетогрупу до (7S)-салутаридинолу, SalAT (BAHD-ацетилтрансфераза) ацетилює його; ацетат відщеплюється спонтанно або за участю тебаїнсинтази з замиканням оксидного містка → перший пентациклічний опіат тебаїн.
3. У молочниках T6ODM (2-оксоглутарат/Fe²⁺-деметилаза) перетворює тебаїн на непінон і кодеїнон, COR (альдо-кеторедуктаза) відновлює кодеїнон до кодеїну, а CODM відщеплює 3-O-метильну групу → морфін ^[13].

Протоберберинова, бензофенантридинова, апорфінова й інші гілки

• Берберин, носкапін. Флавопротеїнова оксидаза BBE окисно циклізує N-метильну групу (S)-ретикуліну, створюючи «бербериновий місток» і тетрациклічний (S)-скоулерин. Далі S9OMT → (S)-тетрагідроколумбамін; канадинсинтаза (CYP719) замикає метилендіоксидний місток → (S)-канадин; STOX окиснює його до четвертинного берберину. У маку натомість канадин через каскад P450 (CYP82Y1, CYP82X1/2), ацетилтрансферази, O-метилтрансферази і носкапінсинтазу (NOS/SDR1) перетворюється на носкапін ^[14].
• Протопін, сангвінарин, хелідонін. P450 CFS (CYP719A25) і SPS (CYP719A20) послідовно утворюють два метилендіоксидні кільця — (S)-стилопін; N-метилювання TNMT і гідроксилювання MSH (CYP82N4) розкривають зв'язок C–N → десятичленне кільце протопіну; P6H (CYP82N2) і оксидаза DBOX ведуть до сангвінарину.
• Апорфіни й бісбензилізохіноліни. CYP80G2 (коритуберинсинтаза) здійснює пряме внутрішньомолекулярне C–C-спряження → апорфіни (коритуберин, глауцин, ліріоденін, болдин, апоморфін); CYP80A1 міжмолекулярно зшиває дві молекули N-метилкоклаурину C–O–C-містком → димери (бербамін, тетрандрин, D-тубокурарин).
• Папаверин. Повне O-метилювання (N7OMT, 3'OMT) і дегідрування оксидазою тетрагідропапаверину (TPOX).
• Колхіцин (Colchicum autumnale, Gloriosa superba). Дофамін конденсується з 4-гідроксидигідрокоричним альдегідом (похідним L-Phe) → фенетил-ізохіноліновий (S)-аутумналін. Пара-пара фенольне спряження (GsCYP75A110) → ізоандроцимбін, O-метилювання, а унікальне окисне розширення шестичленного дієнонового кільця до семичленного ароматичного трополонового (P450 GsCYP71FB1) завершує синтез колхіцину.

Початкова реакція для понад 3 000–4 000 індольних алкалоїдів — PLP-залежне декарбоксилювання L-триптофану цитозольною триптофандекарбоксилазою (TDC) з утворенням триптаміну ^{[8, 3]}.

• Прості індоли, β-карболіни, піролоіндоли. Гідроксилювання й метилювання триптаміну → серотонін, диметилтриптамін, грамін (ячмінь). Пікте — Шпенглер між триптаміном і ацетальдегідом чи α-кетокислотами (з наступним окисненням та декарбоксилюванням) дає β-карболіни гарман, гармін, гармалін (Peganum harmala, Passiflora incarnata). У калабарських бобах (Physostigma venenosum) метилювання C3-положення індолу з циклізацією бічного ланцюга й N-карбамоїлюванням веде до піролоіндолу фізостигміну (езерину).
• Складні індольні алкалоїди — стриктозидиновий вузол (Apocynaceae, Loganiaceae, Rubiaceae). Вакуолярна стриктозидинсинтаза (STR) конденсує триптамін із C₁₀-альдегідом секологаніном за Пікте — Шпенглером → універсальний попередник (S)-стриктозидин. Після експорту з вакуолі стриктозидин-β-глюкозидаза (SGD), що утворює захисний мультимерний метаболон у ядрі, відщеплює глюкозу — виникає високореакційний аглікон. Далі алкогольдегідрогенази й P450 перегруповують його у три основні родини:
  • тип Corynanthe / Strychnos: аймаліцин, резерпін, йохімбін, аймалін (віноринсинтаза та перакінредуктаза в Rauvolfia), акуаміцин, стрихнін і бруцин (Strychnos nux-vomica);
  • типи Aspidosperma та Iboga: через стемаденін, його O-ацетилювання й окиснення утворюється нестабільний дегідросекодин, який зазнає внутрішньомолекулярної реакції Дільса — Альдера у двох напрямках → таберсонін (Aspidosperma) і катарантин (Iboga).
• Віндолін і вінбластин у катарантусі. Таберсонін проходить 7-стадійний шлях: 16-гідроксилювання (CYP71D12/T16H) → 16-O-метилювання (16OMT) → C3-окиснення (T3O) → відновлення C2/C3 (T3R) → N-метилювання (NMT) → C4-гідроксилювання (D4H) → C4-O-ацетилювання (DAT) — результат віндолін. На фінальному етапі вакуолярна пероксидаза PRX1 окисно димеризує катарантин і віндолін в ангідровінбластин, з якого утворюються протипухлинні бісіндоли вінбластин і вінкристин ^[15]. У Vinca minor епоксидування 16-метокситаберсоніну веде до ебурнаміну й ноотропного вінкаміну.
• Від індолу до хіноліну — хінін. У корі Cinchona стриктозидин перетворюється на коринантеаль, у якому окисно розщеплюється п'ятичленне пірольне кільце індолу й рециклізується з атомом азоту триптамінового ланцюга у шестичленне хінолінове кільце (через цинхонінон) → хінін, хінідин, цинхонін, цинхонідин. Подібним чином, але в іншому напрямку, утворюється й камптотецин.

Піридинові алкалоїди (шлях L-аспартату та нікотинової кислоти)

На відміну від тварин і грибів, де нікотинова кислота синтезується з триптофану кінуреніновим шляхом, у вищих рослин піридинове кільце утворюється з L-аспартату і гліцеральдегід-3-фосфату (через іміносукцинат і хінолінову кислоту — аспартатоксидаза, хінолінатсинтаза, хінолінатфосфорибозилтрансфераза). N-Метилювання нікотинової кислоти дає тригонелін (пажитник, зерна кави), відновлення й модифікації — ареколін і ціанопіридоновий рицинін. У коренях тютюну нікотинова кислота через 3,6-дигідронікотинову кислоту перетворюється на 1,2-дигідропіридин — нуклеофіл, що конденсується (ферменти A622 та берберинмістковоподібні оксидази BBL) з електрофільним катіоном N-метилпіролінію (з орнітину) → нікотин. Якщо замість піролінію приєднується лізин-похідний Δ¹-піперидеїн, виникає анабазин (Anabasis aphylla, Nicotiana glauca).

Хінолінові, хіназолінові й акридинові алкалоїди (антранілова кислота)

Антранілова кислота (2-амінобензойна; інтермедіат шикіматного шляху) — пряма попередниця трьох класів гетероциклів родин Rutaceae, Zygophyllaceae, Acanthaceae. Конденсація антранілоїл-КоА з малоніл-КоА → 2,4-дигідроксихінолін → прості хінолінові (куспарин, ехінопсин) та фуранохінолінові (диктамнін, скіміанін, фагарин) алкалоїди. N-Метилантранілоїл-КоА з трьома малоніл-КоА за участю акридонсинтази (полікетидсинтаза III типу) дає трициклічне ядро акридинових алкалоїдів (рутакридон, акроніцин). Поєднання антранілової кислоти з похідним орнітину (піролідином) веде до хіназолінових вазицину (пеганіну) та вазицинону (Adhatoda vasica, Peganum harmala) і фебрифугіну (Dichroa febrifuga).

Імідазольні алкалоїди (L-гістидин)

L-Гістидин вже містить готове імідазольне кільце, тож біосинтез не потребує замикання гетероциклу de novo. Декарбоксилювання (HDC) дає гістамін; поєднання гістидинового фрагмента з похідним L-треоніну чи масляної кислоти, замикання γ-лактонного кільця й N-метилювання імідазолу в листках Pilocarpus microphyllus веде до пілокарпіну та пілозину.

Пуринові алкалоїди (ксантозин, цикл SAM)

Каркас пуринових алкалоїдів будується в первинному обміні нуклеотидів (ІМФ → ГМФ → гуанозин → ксантозин). У молодих листках і плодах кавового дерева, чаю, какао, мате, гуарани чотири послідовні кроки каталізують SAM-залежні N-метилтрансферази та нуклеозидаза ^[16]:

1. XMT (7-метилксантозинсинтаза) метилює ксантозин у N7 → 7-метилксантозин;
2. N-метилнуклеозидаза відщеплює рибозу → 7-метилксантин;
3. MXMT (теобромінсинтаза) метилює N3 → теобромін (3,7-диметилксантин — головний алкалоїд какао);
4. DXMT (кофеїнсинтаза, біфункційна NMT) метилює N1 → кофеїн (1,3,7-триметилксантин); паралельне метилювання ксантину у N1 та N3 дає теофілін.

• Строма хлоропластів (пластиди) — de novo синтез амінокислотних попередників (L-лізин діамінопімелатним шляхом, L-Trp, L-Tyr, L-Phe шикіматним). У люпині весь каскад хінолізидинових алкалоїдів — від LDC до тетрациклічного ядра лупаніну — локалізований у стромі зелених хлоропластів мезофілу листка; активність ферментів регулюється світловим зсувом pH до 8,0 і тіоредоксиновою системою.
• Цитозоль — більшість розчинних PLP-залежних декарбоксилаз (TYDC, TDC, ODC), SAM-залежних метилтрансфераз (PMT, 6OMT, CNMT, 4'OMT, XMT/DXMT), 2-оксоглутарат-залежних діоксигеназ (H6H, T6ODM, CODM) і НАДФН-залежних редуктаз (TR-I, TR-II, COR).
• Ендоплазматичний ретикулум — усі цитохром P450 (CYP80B1, CYP80F1, CYP719B1, CYP82M3, STORR): інтегральні мембранні білки, заякорені гідрофобним N-кінцем у цитозольній поверхні гладкого ЕР, де вони збираються в мультиферментні комплекси — метаболони (метаболічне каналювання). Бербериновий місток BBE з N-кінцевим сигнальним пептидом спрямовується в люмен ЕР і зосереджується в алкалоїдних субвакуолярних везикулах (0,1–0,3 мкм), захищаючи цитозоль від H₂O₂ реакції ^[19].
• Ядро — деглікозилювання стриктозидину мультимерами SGD, що утворюють захисний метаболон.
• Центральна вакуоля й тонопласт — у катарантусі стриктозидинсинтаза STR міститься всередині вакуолі: цитозольний триптамін транспортується крізь тонопласт, конденсується до стриктозидину, який знову експортується в цитозоль/ядро до SGD; кінцеві продукти (вінбластин, серпентин, аймаліцин) закачуються у вакуолі ідіобластів як у фінальне депо ^[2].

На тканинному й органному рівнях місце первинного синтезу («джерело») часто не збігається з місцем накопичення («стік»).

• Мак снодійний: транскрипти генів біосинтезу БІА експресуються в клітинах-супутницях флоеми; ферменти ранніх і середніх етапів (NCS, 6OMT, CNMT, CYP80B1, BBE, SalSyn) працюють у ситоподібних елементах; фінальні ферменти (T6ODM, CODM, COR) і накопичення морфіну — в членистих молочниках (laticifers), де утворюється опійний латекс (морфіну в ньому до 10–22 % сухої маси) ^[13].
• Катарантус рожевий: початкові кроки — в клітинах внутрішньої флоеми (IPAP-клітини), проміжні (стриктозидин, катарантин) — у верхньому й нижньому епідермісі листка, фінальні (віндолін, серпентин, димеризація у вінбластин) — у спеціалізованих клітинах-ідіобластах і молочниках ^[2].
• Пасльонові (Atropa belladonna, Hyoscyamus niger, Nicotiana): початковий фермент PMT і кінцевий H6H експресуються лише в клітинах перициклу кореня (поряд з первинною ксилемою), проміжна TR-I — в ендодермі та внутрішній корі. Готові гіосціамін, скополамін, нікотин завантажуються в апопластний потік ксилеми й із транспіраційним струмом підіймаються в листки, стебла, плоди, де депонуються у вакуолях епідермальних і мезофільних клітин. Класичні щеплення це підтверджують: пагін томата (нікотину не синтезує) на підщепі тютюну чи дурману накопичує нікотин або гіосціамін, а пагін тютюну чи беладони на корені томата лишається практично безалкалоїдним ^{[9, 2]}.
• Піролізидинові алкалоїди (хрестовник Senecio) синтезуються в ендодермі та перициклі кінчиків коренів виключно у вигляді полярних водорозчинних N-оксидів (сенеціонін N-оксид), які не дифундують крізь мембрани й транспортуються не ксилемою, а флоемою до суцвіть, де їхній вміст у 10–30 разів вищий, ніж у вегетативному листі ^{[20, 21]}.
• Люпин: хінолізидини синтезуються в листкових хлоропластах й експортуються флоемою в стручки та дозріле насіння (до 4–5 % сухої маси) ^[11].

Чому рослина, що накопичує колхіцин, вінбластин чи берберин, не отруює власні ферменти, рибосоми й мікротрубочки? Головний механізм самозахисту — ізоляція алкалоїдів у центральній вакуолі завдяки різниці pH між цитозолем (7,2–7,4) і вакуолярним соком (4,5–5,5), яку підтримують протонні помпи тонопласта V-ATPase і V-PPase ^[21].

Більшість третинних алкалоїдів — слабкі основи (pK_a ≈ 7,5–9,5). У нейтральному цитозолі (pH 7,3) 5–20 % молекул перебуває у ліпофільній недисоційованій формі [Alk], що дифундує крізь ліпідний бішар чи переноситься спеціалізованими переносниками. Потрапивши у вакуолю (pH ≈ 5), основа миттєво протонується до гідрофільного катіона [Alk–H]⁺ (понад 99,5 % за рівнянням Гендерсона — Гассельбаха), для якого тонопласт непроникний. У вакуолі катіони утворюють стабільні іонні пари з органічними кислотами (яблучною, лимонною, щавлевою, бурштиновою), специфічними кислотами (меконовою в маку, хінною в хінному дереві, хелідоновою в чистотілі) та дубильними речовинами.

Крім пасивної пастки, є й активне закачування: вторинно-активні H⁺/алкалоїдні антипортери родини MATE (NtJAT1, NtMATE1/2 у тютюну, CrMATE1 у катарантуса), АТФ-залежні ABC-транспортери (ABCB1, ABCC2 у Coptis japonica) і пермеази поглинання пуринів (PUP) ^{[22, 23]}.

Класичний метод ґрунтується на перемиканні pH між формою солі (у воді) та формою вільної основи (в органічній фазі) ^[3]. Проходьте етапи схеми — на кожному видно, у якій фазі перебуває алкалоїд:

У фармакопейному й фітохімічному аналізі ідентифікація має два етапи: 1) загальноосадові (групові) реакції у слабкокислому середовищі, де катіон алкалоїду утворює нерозчинні асоціати з важкими аніонами (комплексні солі Bi, Hg, Cd, полійодиди, гетерополікислоти, поліфеноли); 2) специфічні кольорові реакції з концентрованими кислотами й окисниками, що руйнують чи окиснюють конкретний гетероцикл із утворенням забарвлених хромофорів.

На початку XX ст. у фізіології рослин панувала гіпотеза, що алкалоїди — інертні кінцеві продукти азотного обміну, подібні до сечовини чи сечової кислоти: рослина без видільної системи ізолює їх у вакуолях і позбувається разом з опалим листям. Її спростували ^{[2, 17]}:

• Вміст алкалоїдів не наростає монотонно з віком, а зазнає виразних добових (циркадних) та онтогенетичних коливань: період напіврозпаду нікотину чи морфіну в живій тканині — від кількох годин до кількох діб.
• Синтез 1 г алкалоїду коштує величезних витрат АТФ, НАДФН, дефіцитного відновленого азоту й праці десятків ферментів і транспортерів. З еволюційного погляду це неможливо без потужної селективної переваги. За теорією оптимального захисту (МакКі) рослина концентрує захисні метаболіти там, де втрати найболючіші: у молодих пагонах, квітках, незрілих плодах і насінні.
• В експериментах із ¹⁵N показано, що алкалоїди дозріваючого насіння бобових і кави в перші доби проростання активно катаболізуються, постачаючи азот молодому проростку.

Дослідження М. Вінка й колег довели, що біосинтез алкалоїдів підтримує природний добір завдяки їхній адаптивній функції — хімічному захисту від фітофагів, патогенів і конкурентів. Це «хімічний арсенал» нерухомих рослин, що замінює їм імунну систему та поведінкову втечу.

І фітофаги (комахи, молюски, травоїдні ссавці), і рослини користуються тими самими протеїногенними L-амінокислотами. У ході коеволюції рослини відібрали такі шляхи модифікації тирозину, триптофану, орнітину, лізину й гістидину, які перетворюють їх на конформаційно жорсткі аналоги (міметики) нейромедіаторів тварин — ацетилхоліну, норадреналіну, дофаміну, серотоніну, ГАМК, гліцину, глутамату ^[17]. Просторова фіксація зарядженого атома азоту й ароматичних кілець дозволяє алкалоїду зв'язуватися з активним центром рецептора чи ферменту міцніше за природний ліганд — наслідком стають параліч, судоми, зупинка дихання або сильна гіркота (активація рецепторів гіркого смаку T2R у хребетних і Gr у комах).

• Ацетилхолінестераза. Лупінін, фізостигмін (карбамоїлює активний центр) і галантамін оборотно блокують розщеплення ацетилхоліну — виникає холінергічний криз і загибель комах (зокрема попелиці Aphis citricola).
• Глікозидази. Індолізидиновий свайнсонін астрагалу й гострокільниці незворотно інгібує α-манозидазу II апарату Гольджі (IC₅₀ ≈ 34 нМ) і лізосомальну α-манозидазу, порушуючи процесинг N-гліканів — важке неврологічне отруєння худоби (локоїзм, locoweed poisoning) ^[1].
• Біоактивація піролізидинів. У печінці травоїдних цитохроми P450 окиснюють сенеціонін до реакційних пірольних естерів, що алкілюють ДНК і білки, викликаючи гепатотоксичність і венооклюзійний некроз печінки ^[10].
• Цитоскелет. Колхіцин і вінкаалкалоїди зв'язуються з β-тубуліном і блокують полімеризацію мікротрубочок веретена — мітоз зупиняється (наприклад, у воскової молі Galleria mellonella).
• ДНК, топоізомерази, рибосоми. Плоскі поліциклічні катіони берберину, сангвінарину, пальматину, гарміну, диктамніну й фуранохінолінів інтеркалюють між парами основ ДНК; камптотецин стабілізує ковалентний комплекс топоізомерази I з ДНК; еметин пригнічує синтез білка на рибосомах.
• Гіркий смак. Майже всі алкалоїди активують рецептори гіркого смаку — сигналізують про токсичність ще до проковтування великої дози.

Поряд із конститутивним накопиченням у багатьох рослин синтез алкалоїдів різко зростає після ушкодження листя гусеницями. Так, у Nicotiana sylvestris поранення індукує жасмонову кислоту (JA) та її метиловий естер MeJA. Цей сигнал транспортується флоемою в корені, активує транскрипційні фактори родин ERF/MYC2, підвищує експресію генів PMT та QPT, і концентрація нікотину в листі зростає в 4–10 разів протягом 48–72 годин. Польові експерименти з диким тютюном із пригніченим синтезом нікотину показали, що без нього рослини зазнають масового знищення личинками комах ^{[24, 2]}.

Неспеціалізовані травоїдні (генералісти) страждають від алкалоїдів, але комахи-монофаги виробили механізми подолання бар'єра й навіть запозичили алкалоїди для власного захисту від птахів і павуків ^{[10, 20]}:

• У печінці хребетних і кишечнику неспеціалізованих комах третинні піролізидини окиснюються P450 до токсичних пірольних естерів. Гусениці ведмедиць (Arctiidae, наприклад Tyria jacobaeae — «зебра» на хрестовнику), метелики-данаїди й жуки-листоїди (Oreina) мають у гемолімфі флавінзалежну сенеціонін-N-оксигеназу (SNO), що миттєво перетворює поглинутий алкалоїд назад на нетоксичний полярний N-оксид. Його накопичують у покривах тіла для захисту від птахів і використовують як попередник чоловічих статевих феромонів (данаїдону, гідроксиданаїдалю).
• Ведмедиця Utetheisa ornatrix накопичує піролізидини з Crotalaria; міль болиголова Agonopterix alstroemeriana використовує токсичний коніїн з Conium maculatum і як захист від хижаків, і як хеморецепторний маркер для відкладання яєць.

Алкалоїди бувають фітоантиципінами (постійно присутні в покривних тканинах, корі, насінні) і фітоалексинами (синтез de novo різко зростає у відповідь на інфекцію чи поранення через жасмонатний і саліцилатний сигнали). Апорфіновий ліріоденін тюльпанового дерева захищає деревину від паразитичних грибів. Ізохінолінові й протоберберинові берберин, сангвінарин, хелеритрин, ятроризин, пальматин (Berberis, Mahonia, Chelidonium), піперин і хінолінові алкалоїди (диктамнін, скіміанін) концентруються в ризодермі, перидермі коренів і оболонках насіння: порушують проникність мембран, пригнічують проростання спор фітопатогенних грибів (Fusarium, Phytophthora, Alternaria) і розмноження бактерій (Agrobacterium, Erwinia, Xanthomonas), зокрема гальмують білок бактеріального поділу FtsZ. Індольний фітоалексин камалексин Arabidopsis синтезується з триптофану під час грибкової й бактеріальної атаки.

Потрапляючи в ґрунт з кореневими ексудатами чи вимиваючись дощем з опалого листя та оболонок насіння, алкалоїди діють як алелохімікати: берберин і сангвінарин, а також грамін ячменю суттєво гальмують проростання салату й крес-салату; капсаїцин гальмує ріст коренів бобів мунг; кофеїн з опалого листя кавових і чайних дерев пригнічує мітоз кореневих меристем проростків бур'янів навколо материнської рослини; алелопатично діють також хінолізидини люпину.

Посуха, засолення, УФ-B, екстремальні температури та важкі метали викликають окиснювальний вибух (ROS: H₂O₂, O₂•⁻, OH•). Рослини відповідають активацією генів біосинтезу алкалоїдів, які допомагають підтримувати іонний гомеостаз, гасити радикали й захищати мембрани ^[1].

• Засолення індукує експресію H6H й накопичення тропанових алкалоїдів у молодих листках Datura innoxia, підвищує синтез вінкристину в катарантусі та резерпіну в Rauvolfia tetraphylla.
• Посуха й температурний стрес збільшують морфінани в маку, хінолізидини в Lupinus angustifolius, камптотецин в Ophiorrhiza mungos.
• УФ-випромінювання стимулює TDC й накопичення індольних алкалоїдів (лохнерицину, аймаліцину) в катарантусі: вони поглинають жорсткий УФ-B (280–320 нм) і гасять синглетний кисень та пероксильні радикали, захищаючи ФС II і ДНК.
• Резерв азоту. За високого забезпечення нітратами й у бобових алкалоїди — метаболічно безпечне депо азоту у вакуолях і насінні (до 4–5 % сухої маси насіння люпину), що мобілізується під час проростання. Нікотинова кислота й тригонелін пов'язані з пулом коферментів НАД⁺ і НАДФ⁺.

У сучасній клінічній практиці застосовують понад 90 індивідуальних природних алкалоїдів і сотні їхніх напівсинтетичних та синтетичних аналогів ^[8]. Здатність азоту приймати протон, а аміногруп — бути донорами водневих зв'язків забезпечує високу спорідненість алкалоїдів до активних центрів ферментів, іонних каналів і рецепторів людини.

Оберіть терапевтичний напрям — з'являться препарати, їхні джерела, механізми дії та структури. Значення активності (IC₅₀) — орієнтовні, з оглядових робіт ^[1].

• Експериментальна поліплоїдія. Колхіцин, руйнуючи нитки веретена без пригнічення реплікації хромосом («колхіциновий мітоз», C-мітоз), дозволяє штучно подвоювати хромосомний набір: так створюють тетраплоїдні сорти жита, цукрових буряків, конюшини, безнасінні кавуни, тритикале й перетворюють стерильні міжвидові гібриди на фертильні амфідиплоїди.
• Ботанічні пестициди. Сульфат нікотину (з махорки Nicotiana rustica) і сульфат анабазину (з Anabasis aphylla) були контактно-кишковими інсектицидами проти попелиць, трипсів, білокрилок і кліщів. Вивчення фармакофора нікотину й цитизину привело наприкінці XX ст. до створення неонікотиноїдів (імідаклоприд, тіаметоксам, ацетаміприд, клотіанідин), які селективно зв'язуються з нікотиновими рецепторами комах і значно слабше проникають крізь гематоенцефалічний бар'єр ссавців. Солі стрихніну застосовують як родентициди.
• «Солодкий» люпин. Дикі види люпину (Lupinus angustifolius, L. luteus, L. albus) містять у насінні 40–45 % якісного білка, але й 1,5–4 % гірких нейротоксичних хінолізидинів (лупанін, спартеїн) — і спричиняють отруєння худоби (люпиноз). Рецесивні мутації у генах біосинтезу (зокрема локус iucundus із транскрипційним фактором RAP2-7, що керує експресією LDC) дозволили вивести «солодкі» сорти з вмістом алкалоїдів менш ніж 0,02 % ^[8].

Багато цінних алкалоїдів містяться в рослинах у мізерних кількостях (для 1 г вінкристину чи вінбластину потрібні сотні кілограмів сухого листя катарантуса), а їхній повний хімічний синтез надто складний. Тому розвивають біотехнологічні шляхи отримання ^{[2, 25]}:

• «Бородаті корені» (hairy roots). У недиференційованих калусних і суспензійних культурах гени біосинтезу тропанів чи піридинових алкалоїдів зазвичай репресовані (бракує диференційованого перициклу й ендодерми). Тому експланти трансформують ґрунтовою бактерією Agrobacterium rhizogenes: виникають генетично стабільні швидкорослі кореневі культури Atropa belladonna, Duboisia, Hyoscyamus, Rauvolfia, Coptis japonica, Catharanthus, які в біореакторах стабільно продукують скополамін, резерпін, аймалін, берберин. Біосинтез посилюють еліситори: метилжасмонат, саліцилова кислота, хітозан, УФ, солі срібла чи алюмінію.
• Гетерологічна реконструкція шляхів. Мультигенна експресія й CRISPR/Cas9 дозволили перенести рослинні каскади (понад 15–30 генів, зокрема P450, редуктази, метилтрансферази) у пекарські дріжджі Saccharomyces cerevisiae та листки Nicotiana benthamiana. Так отримано de novo ретикулін, тебаїн, морфін, носкапін, гіосціамін і скополамін, колхіцин та попередники вінбластину. Групою К. Смолке в Стенфорді (2015–2024) шляхи тебаїну, гідрокодону, гіосціаміну й скополаміну відтворено в дріжджах разом з інженерією вакуолярних транспортерів ^{[25, 23, 15]}.

Біохімія алкалоїдів важлива й для безпеки харчових продуктів. Європейське агентство з безпеки харчових продуктів (EFSA) ввело жорсткий моніторинг контамінації чаїв, меду й злаків гепатотоксичними піролізидиновими алкалоїдами бур'янів родин Asteraceae й Boraginaceae та тропановими алкалоїдами насіння дурману ^[10].