Растительные щелочеподобные вещества

Хотя работы Шееле имели огромное значение для развития химии растений, выделенные им органические кислоты не находили практического применения и не привлекали к себе внимания широкой публики. В научных кругах под влиянием этих работ сложилось мнение, что в состав растительных организмов входят только органические вещества кислого или нейтрального характера. Поэтому полной неожиданностью для исследователей было сообщение немецкого ученого Фридриха Сертюрнера (1783 - 1841 гг.) о щелочных свойствах органического вещества, выделенного им из опия (высушенного млечного сока коробочек мака).

Сертюрнер, как и Шееле, был фармацевтом и работал в аптеке. С 1803 г. он начал изучение опия, из которого другими исследователями уже были получены какие-то кристаллические вещества. В 1806 г. Сертюрнер выделил из опия вещество со странными свойствами: оно соединялось с кислотами, образуя кристаллические продукты, из которых снова могло быть получено обработкой щелочью. Так могло вести себя только щелочеподобное вещество, но подобное утверждение шло вразрез с установившимся мнением, что в растениях могут содержаться лишь вещества кислого или нейтрального характера. Поэтому Сертюрнер еще и еще раз проверял свойства нового вещества и только после кропотливых опытов опубликовал свою работу в печати. Так был открыт первый представитель большого класса растительных веществ, сыгравших значительную роль в развитии медицины.

В 1819 г. немецкий ученый Мейснер назвал подобные вещества алкалоидами (от арабского слова "алкали" - щелочь и греческого "ейдос" - подобный); этот термин привился, он употребляется и по сей день. Первый алкалоид был назван Сертюрнером в честь бога сна Морфея - морфием (сейчас его называют морфином), так как он обладал ярко выраженными наркотическими свойствами, гораздо более сильными, чем у опия. Это способствовало тому, что на алкалоиды сразу же обратили внимание как врачи, так и фармацевты. Им казалось, что, наконец, из растений удалось выделить те, остававшиеся доселе неизвестными действующие вещества или "квинтэссенции", о которых говорил Парацельс. Открытие алкалоидов имело столь важные последствия, что Парижская Академия в 1831 г. присудила Сертюрнеру специальную премию в размере 2 тыс. франков. Вслед за морфином был выделен еще ряд алкалоидов, и все они оказывали сильное физиологическое воздействие на организм человека и животных.

Выдающееся место в истории открытия алкалоидов занимают имена французских фармацевтов Пельтье и Кавенту. В 1818 г. они выделили из чилибухи чрезвычайно ядовитые алкалоиды - стрихнин и брунин. Но особенную славу доставило им открытие в коре хинного дерева алкалоида хинина, носителя целебных свойств, единственного в то время средства от малярии. Открытия алкалоидов следовали одно за другим. Многие из них сразу же становились достоянием медицины. В 1819 г. из кофе был выделен кофеин, в 1828 г. из табака - никотин, в 1833 г. из красавки - атропин и т. д.

Как правило, алкалоиды и их соли с кислотами (соляной, серной, азотной и др.) представляли собой довольно устойчивые кристаллические вещества, которые было удобно принимать в растворе или в виде порошка. Но, главное, впервые появилась возможность разработать и осуществить точную дозировку действующих веществ, выделенных из лекарственного растения. В этом отношении применение алкалоидов открыло новую эпоху в развитии медицины. Известный русский ученый Е. А. Шацкий, написавший первую монографию об алкалоидах, писал в 1889 г.: "Открытие алкалоидов, последовавшее в начале нынешнего столетия, имело для медицины почти такое же важное значение, как открытие железа для мировой культуры".

Началось детальное изучение воздействия алкалоидов на организм животных и человека, так называемое фармакологическое изучение. При этом было установлено, что алкалоиды обладают широким спектром действия. Одни из них могут расширять просветы кровеносных сосудов и вызывать усиленное кровообращение (атропин), другие повышать тонус скелетных мышц (стрихнин) или совершенно расслаблять их (тубокурарин), устранять чувство боли (морфин, кокаин), расширять зрачок (атропин) и сужать его (пилокарпин), возбуждать дыхание (лобелин) и т. д. Таким образом, медицина получила в свое распоряжение надежный инструмент воздействия на многие физиологические процессы, протекающие в человеческом организме, управление которыми необходимо для успешного лечения многих заболеваний.

Изучение химического состава алкалоидов показало, что это довольно сложные органические соединения, они, кроме обычных для органических соединений углерода и водорода, содержат азот, который и обусловливает щелочные свойства этих веществ.

Ученые не только точно установили их состав и строение, но и научились искусственно получать, синтезировать их. Однако если в растениях синтез алкалоидов осуществляется с незначительными затратами энергии и исходных материалов, то искусственный синтез большинства алкалоидов требует больших затрат и того и другого. Экономически целесообразнее выделять уже готовые алкалоиды из природных химических лабораторий - растений.

Вскоре после открытия первых алкалоидов встал вопрос о промышленном производстве их. И здесь ученые столкнулись еще с одной загадкой. Количество алкалоидов, получаемое из разных партий сырья, сильно колебалось, а иногда равнялось нулю. Вначале всю вину за это возлагали на несовершенную технологию производства. Однако с появлением методов количественного анализа алкалоидов стало ясно, что виновата не технология: разные партии сырья содержали различное количество алкалоидов, что влияло на их промышленный выход. Тогда химики провели такой опыт: от растений, произрастающих в одних и тех же условиях, стали брать на анализ сырье в различные сроки. Оказалось, что в разные сроки развития содержание алкалоидов в растении неодинаково. Обычно ранней весной, когда растение только начинает развиваться, количество алкалоидов наименьшее и постепенно возрастает до начала цветения; в период цветения оно остается на максимальном уровне или несколько снижается.

Такая зависимость количественного содержания была отмечена у многих действующих веществ лекарственных растений. Конечно, как всегда, из общего правила могут быть исключения, так, алкалоид триакантин присутствует только в молодых листьях гледичии, в листьях старше 10 дней его уже нет.

Таким образом, исследования динамики накопления алкалоидов в растениях позволили ответить на очень важный практический вопрос: когда в растительном сырье содержится максимальное количество алкалоидов и когда следует его заготовлять. При этом было также выяснено еще одно обстоятельство, а именно: не все части растения равноценны по содержанию алкалоидов. Так, морфин содержится только в млечном соке коробочек мака, в листьях, стеблях и семенах его нет; кофеин содержится преимущественно в зернах кофе; никотин - в листьях табака; хинин в коре хинного дерева и т. д. Так был получен ответ на еще один важный вопрос, какие части растений могут служить сырьем для получения алкалоидов.

К настоящему времени на содержание алкалоидов исследованы тысячи растений и выделено несколько сотен алкалоидов. Не все они нашли применение в медицине: одни не обладают полезным для человеческого организма физиологическим действием, физиологическое действие других еще не изучено.

Растения, содержащие алкалоиды, произрастают в тропиках и в более холодных областях земного шара. Однако в странах с жарким и влажным тропическим климатом их гораздо больше, чем в странах умеренного пояса. В нашей стране наиболее богаты алкалоидоносами районы среднеазиатских и закавказских республик. Алкалоидоносы встречаются главным образом среди двудольных растений, среди однодольных их значительно меньше. Алкалоиды содержатся и во многих культурных растениях: чае, кофе, табаке, маке, какао, даже в хорошо всем известном картофеле есть так называемые гликоалкалоиды, с которыми более подробно мы познакомимся ниже.

В растении алкалоиды находятся в виде солей различных органических, а в некоторых случаях и минеральных кислот - яблочной, лимонной, щавелевой, серной и др. Большинство алкалоидов почти нерастворимо в воде, но их соли прекрасно растворяются в воде и, следовательно, в клеточном соке, где они и содержатся.

Алкалоиды находят применение не только в медицине, хотя она и является главным их потребителем. Алкалоид анабазин, выделенный из среднеазиатского растения анабазиса, довольно широко применяется в качестве инсектицида в борьбе с вредителями хлопчатника и других растений. Алкалоид безвременника колхицин применяется в растениеводстве для выведения полиплоидных форм растений. Такие растения, как чай, кофе, табак вошли в быт всех народов именно из-за содержащихся в них алкалоидов (кофеина - в чае и кофе, никотина - в табаке).

В настоящее время многие алкалоиды прочно вошли в арсенал лечебных средств медицины. Трудно себе представить современную медицину без таких лекарственных средств, как атропин, кодеин, морфин, лобелии, пилокарпин, скополамин, стрихнин, эфедрин и др.

Много новых алкалоидов было выделено из растений советскими учеными. Советская школа химиков-алкалоидников, созданная академиком А. П. Ореховым (1881 - 1939 гг.), занимает одно из ведущих мест в мире.

Основоположник советской школы химиков-алкалоидников академик А. П. Орехов

Александр Павлович Орехов родился в 1881 г. За участие в студенческом движении 1905 г. был исключен из Екатеринославского высшего горного училища и эмигрировал в Германию, где в 1908 г. окончил Гисенский университет, а в 1909 г. защитил диссертацию на степень доктора философии. В течение многих лет А. П. Орехов работал в Женеве и Париже и приобрел известность благодаря своим исследованиям в области так называемых внутримолекулярных перегруппировок - одном из самых сложных разделов химии органических веществ. В 1928 г. А. П. Орехов возвратился в СССР и здесь в Научно-исследовательском химико-фармацевтическом институте им был организован алкалоидный отдел, ставший школой советских химиков-алкалоидников. Отдел под руководством А. П. Орехова начал систематическое изучение флоры СССР с целью выявления новых акалоидоносов. До приезда А. П. Орехова в СССР такая работа проводилась довольно медленными темпами. Под руководством А. П. Орехова она приобрела большой размах. Во все концы нашей обширной родины ежегодно снаряжались экспедиции, которыми бессменно руководил большой знаток лекарственной флоры и народной медицины Питирим Сергеевич Массагетов. За 6 лет существования алкалоидного отдела небольшому коллективу сотрудников удалось выделить около 40 новых алкалоидов. За это же самое время в Индии было выделено 20 новых алкалоидов, в Японии - 18, в Англии - 12, в Китае - 10. Всего за эти 6 лет было открыто 113 новых алкалоидов, из них 35,5% приходилось на долю алкалоидного отдела Научно-исследовательского химико-фармацевтического института, возглавлявшегося А. П. Ореховым.

А. П. Орехов совместно с профессором Г. П. Меньшиковым выделили из среднеазиатского растения анабазиса алкалоид анабазин, который нашел широкое применение в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми. Из среднеазиатского растения солянки Рихтера им был выделен алкалоид сальсолин, нашедший применение в медицине как средство, понижающее кровяное давление. В 1939 г. А. П. Орехов избран академиком.

Практическое значение алкалоидов не исчерпывается только их применением в медицине. Важное значение они имеют как модели, или образцы для синтеза новых лекарственных веществ с заранее заданными свойствами. Проведение таких работ стало возможным после того, как ученые расшифровали химическое строение этих весьма сложных органических соединений. Постепенно стали накапливаться сведения о связях между строением алкалоидов и их действием, после чего были предприняты первые попытки синтеза аналогичных соединений. Так, используя в качестве модели молекулу алкалоида кокаина, обладающего болеутоляющими свойствами, был синтезирован новый чрезвычайно ценный лекарственный препарат новокаин. Новокаин, в отличие от кокаина, не вызывает опасного привыкания, молекула его более проста и синтез обходится сравнительно дешево. Молекула алкалоида хинина послужила моделью для синтеза многочисленных противомалярийных препаратов, из которых наиболее известны акрихин и плазмоцид.