Alcaloides

Universidad Nacional de La Pampa
Facultad de Agronomía
Química III
Metabolitos Secundarios
Alcaloides

Elaborada por: Ing. Agr. Rosa M. de Troiani

Contenido
Introducción………………………………………….3
Extracción………………………………….………….7
Clasificación.……………………………….………….7
Derivados de los
Pirrolidinicos………………………….………….7
Derivados de la
Piperidina…………………………….…….…….8
Derivados de la
Piridina……………………………….………….….9
Derivados del
Tropano……………………………….……………9
Derivados
Quinolinicos e Isoquinolinicos……………….….9
Derivados del
Indólico……………………………….…….………10
Importancia agronómica……………….…….……….10
Acción fisiológica…………………………….……….10
Especies argentinas que contienen alcaloides……11
Bibliografía……………………………………………….12
INTRODUCCIÓN

Existen muchas clases diferentes de compuestos naturales, tales como las grasas, los hidratos de carbono, las proteínas y los ácidos nucléicos que desempeñan papeles importantes en el funcionamiento de los organismos. Estos productos naturales, junto con un número relativamente pequeño de sustancias análogas, existen en casi todos los organismos y se denominan “metabolitos primarios”. Los procedimientos por los cuales se producen se llaman procesos metabólicos primarios. Es decir, la mayoría de los organismos vivos, sea cual sea la especie, producen los ácidos grasos corrientes y los ácidos carboxílicos sencillos. Una segunda clase de productos naturales se denominan “metabolitos secundarios”. No tienen porque ser de importancia secundaria para el organismo, pero su distribución en la naturaleza tiende a ser más dependiente de las especies. Son el producto del metabolismo secundario. Es sabido que los vegetales producen una amplia gama de compuestos orgánicos que no están involucrados en el metabolismo primario. No poseen roles reconocidos en los procesos de asimilación, respiración, transporte y diferenciación y que también difieren de los metabolitos primarios por tener una distribución restringida en el reino vegetal. Esto significa que un producto secundario en particular, generalmente se halla sólo en una especie o en un grupo de especies taxonomicamente relacionadas. Además se presentan con una diversidad estructural asombrosa, por ejemplo: esteroides, flavonoides, alcaloides, terpenos, etc. Desde el hombre ha hecho uso de ellos con diversos propósitos, entre los que puede mencionarse los usos como saborizantes, colorantes, fragancias, insecticidas, drogas medicinales, cosméticos y de adicción. Actualmente se a revalorizado su utilización en la vida cotidiana y consecuentemente la investigación científica en el área de los productos naturales. Uno de los problemas más interesantes y menos abordados es el análisis del significado adaptativo y del rol exacto de este tipo de compuestos en la naturaleza. No existen dudas acerca de que las plantas no dilapida energía en la síntesis de compuestos inútiles, por lo que el antiguo concepto de compuestos no funcionales o de deshechos metabólicos ha sido ya abandonado (Harborne, 1992). El principal rol metabólico atribuido a estos grupos de sustancias es la protección frente al ataque de herbívoros y las infecciones microbianas o virales. Pero también funcionan como atrayente de insectos polinizadores y como agente de competición planta-planta. Según el concepto de selección natural, los metabolitos secundarios aparecen a partir de mutaciones al azar en los genes que codifican para las rutas metabólicas básicas. Si bien muchas veces son muchas las enzimas involucradas en sus rutas biosintéticas, el costo energético no es en vano debido a que dotan a la especie vegetal de defensas ante su medio ambiente. Además la descendencia de los individuos más aptos para la supervivencia es más numerosa que la de los indefensos y esta característica se trasmite a la nueva generación. Paralelamente otros organismos, como los insectos, evolucionan para sobreponerse a los obstáculos fisiológicos presentados por las plantas alcanzando la diversificación y superando, en la competencia, a otros insectos no adaptados al cambio metabólico de los vegetales. Este proceso coevolutivo se interpreta como un mecanismo dinámico de adaptación. La teoría expuesta explica la gran diversidad de metabolitos secundarios presentes en las plantas y justifica el hecho de que cada especie vegetal sea rica en un determinado tipo de compuestos naturales. Se observa así la asociación de la presión ambiental ejercidas por las plagas en la especialización del metabolismo secundario. ( Ayres, 1982). Siguiendo un criterio biosintético, los productos naturales secundarios podrían dividirse en tres grandes grupos de compuestos: nitrogenados, terpénicos y fenólicos. Los primeros, entre los que se encuentran los alcaloides, derivan principalmente de los aminoácidos. A partir de acetil-Co A, a través de la ruta del mevalonato se sintetizan los terpenos, mientras que los metabolitos fenólicos provienen de dos vías diferentes: la del ácido shikímico y la de los policétidos o vía del malonato. Luego de cierto tiempo de ser producidos, algunos metabolitos secundarios son degradados a sus intermediarios metabólicos primarios, por lo que se propone que pueden funcionar como una reserva energética de nitrógeno y de carbono. Las variaciones estacionales, mensuales o diarias de los niveles de algunos de ellos afirman esta hipótesis. Por lo tanto es posible atribuirles un rol dinámico en los vegetales, el que ha sido corroborado empíricamente por experiencias de marcación con radioisótopos y más recientemente con 13 C. Por ejemplo, durante el proceso de germinación se metabolizan compuestos secundarios nitrogenados que actuaban como protectores frente a la prelación en las semillas pero como fuente de reserva en las plántulas jóvenes. (Rosenthal y Rhodes, 1984). Existe una gran variación cuali y cuantitativa en el contenido de metabolitos secundarios entre diferentes especies vegetales. La citada variabilidad se corresponde con los niveles de organización. Los distintos compuestos que puede producir una especie presentan una determinada distribución dentro de los órganos, tejidos y células de una planta, respondiendo frecuentemente a las influencias ambientales. Muchas plantas son potencialmente susceptibles a sus propios metabolitos secundario, pero poseen diversas formas de evitar la autodestrucción. Así los glucósidos cianogenéticos, son almacenados como precursores inactivos en compartimentos diferentes a los de sus enzimas hidrolíticas activadoras. Los metabolitos hidrosolubles son secuestrados en las vacuolas, siendo particularmente activos los mecanismos de glicosidación en especies productoras de compuestos tóxicos. Los espacios extracelulares, tales como pelos glandulares, grasas epidérmicas, canales resinosos y lactíferos acumulan sustancias lipofílicas generalmente terpénicas. El mecanismo de autoprotección más asombroso lo presentan plantas que han modificado sus enzimas y receptores de manera de hacerse insencibles a los efectos tóxicos de sus propios compuestos. Por ejemplo, especies que sintetizan canavanina, un aminoácido no proteico similar a la arginina, poseen una aminoacil-ARNt-sintetasa capaz de diferenciar entre ambos en el proceso de biosíntesis de proteínas. Las variadas aplicaciones que poseen los metabolitos secundarios obligaron al hombre a preocuparse de ellos de distinta formas, de acuerdo a las épocas históricas. Tradicionalmente se los extraía exclusivamente de plantas silvestres, esta práctica fue apropiada por miles de años hasta que se cayó en una explotación indiscriminada de los recursos naturales, poniéndose en peligro numerosas especies y en muchos casos llegando a la extinción. Los cultivos agronómicos son una alternativa válida pero presentan el inconveniente que muchas especies de interés comercial son difíciles o imposibles de domesticar. La síntesis y la semisíntesis por vía química, si bien son métodos apropiados y económicamente rentables cuando se trata de compuestos sencillos o provenientes de materia prima asequible. En la mayoría de los casos son onerosos y presentan grandes dificultades dado que involucran numerosos pasos tanto de reacción como de purificación, especialmente si se trata de compuestos quirales. A raíz de los inconvenientes expuestos, surgió como una alternativa natural el cultivo “in vitro”. Hace aproximadamente tres décadas que se hicieron los primeros intentos para producir metabolitos secundarios por esta vía. Esta estrategia presenta tanto ventajas como desventajas con respecto a los métodos tradicionales, aún cuando sea la variante más inocua para el ecosistema. El cultivo “in vitro” permite planificar la producción de metabolitos de acuerdo a la demanda, independientemente del clima, suelo, enfermedades y problemas sociopolíticos. Es posible explotar especies no domesticadas o de difícil cultivo “a campo”. Si se logra un manejo optimizado y es posible controlar las condiciones de cultivo se puede obtener una calidad estable y constante. Los procesos extractivos y de purificación se facilitan especialmente cuando el producto es proteico o es excretado fuera de la célula. Por otra parte, los cultivos celulares vegetales son una buena fuente de enzimas, por lo que pueden usarse como sistemas de bioconversión ya sea solos o combinados con la síntesis química. Además, constituyen modelos apropiados para el estudio de la fisiología y la bioquímica vegetal, especialmente en rutas metabólicas secundarias. De hecho los cultivos celulares son un sistema importante para analizar variables particulares sobre todo en ensayos de interacción de vegetales y microorganismos. Si bien son numerosos los trabajos de investigación en el área de la producción de metabolitos secundarios, son escasos los procesos que han podido ser llevados a escala industrial. La principal causa es la baja productividad, debido fundamentalmente al lento crecimiento de la célula vegetal en cultivo. Esto constituye también un problema para los manejos operacionales puesto que procesos prolongados en el tiempo son más susceptibles a contaminaciones y a variaciones e inestabilidad genética y bioquímica. Vale la pena mencionar la utilización de cultivos de Lithospermium erythrorhizos para la producción de shikonina colorante de acción antiflamatoria; de Coptis japónica para berbenina y de raíces de Panax ginseng como fuente de saponinas. (Becker, 1990). La obtención de metabolitos secundarios por cultivo “in vitro” se justifica cuando los compuestos tienen alto valor agregado o provienen de especies raras o de crecimiento lento por lo que no existe otra alternativa de producción. Los alcaloides (parecidos a los álcalis) son bases nitrogenadas orgánicas, presentes en diversas familias de plantas, en los hongos, algas y otros vegetales inferiores. Uno o más átomos de nitrógeno está presente en amidas primarias, secundarias o terciarias y estas confieren usualmente basicidad a los alcaloides, facilitando la extracción y purificación por las sales solubles en agua cuando son formadas por la presencia de ácidos minerales. El nombre de alcaloide proviene de álcalis, sin embargo la basicidad varía enormemente ya que depende de la estructura molecular del alcaloide y de la presencia y localización de los grupos funcionales. Algunos son esencialmente neutros. Contienen aminas cuaternarias, dependiendo la actividad biológica de ellos de la función amina que puede ser transformada a sistema cuaternario por protonación y pH fisiológico. La mayoría de ellos presentan acciones fisiológicas marcadas sobre el organismo animal, o bien son tóxicos para los insectos. Se les ha considerado como productos terminales del metabolismo del nitrógeno, se les ha asociado con la protección del vegetal ante los actos predatorios de insectos y animales herbívoros, aunque hay alcaloides que son tóxicos tanto para el hombre como para los animales superiores, pero no para los insectos. Se ha sugerido que algunos alcaloides participan en el crecimiento del vegetal, ya sea por su capacidad de formar quelatos o intervenir en fenómenos de óxido-reducción. Algunos compuestos poseen acción fisiológica igual o similar a los alcaloides, que resulta común pensar en ellos como tales, aunque no entren dentro de la definición usual ejemplo la marihuana que no es básico ni tiene N. Los alcaloides son clasificados de acuerdo a la naturaleza de la estructura nitrogenada que poseen. Ej. Pirrolidinos, piperidinos, quinoleínos, isoquinoleínos, indólicos, etc., según la complejidad estructural de algunos de ellos, origina subdivisiones. El átomo de nitrógeno de los alcaloides es originario de un aminoácido y en general la estructura carbonada del aminoácido es mantenida intacta en la estructura del alcaloide, mientras que el carbono del ácido carboxílico sufre descarboxilación. Los aminoácidos precursores participan de la biosíntesis de los alcaloides, los principales son ornitina, lisina, ácido nicotínico, tirosina, triptofano, ácido antranílico e histidina. El acetato, sikimato o mevalonato son frecuentemente incorporados a las estructuras de los alcaloides. Sin embargo un gran grupo de alcaloides adquiere el átomo de nitrógeno vía reacciones de transaminación incorporando sólo el nitrógeno del aminoácido y el resto de la molécula es derivada por acetato o sikamato o para el origen de terpenoides o esteroides. El término “seudoalcaloides” se utiliza para distinguir estos grupos. Algunas de las familias de plantas que tienen alcaloides son Papaveráceas (adormidera, amapola), Papilionáceas (retama), Ranunculáceas (acónitos), Solanáceas (tabaco, patata, belladona), Rubiáceas (quina, café). Algunos tienen acciones fisiológicas características, sean tóxicas o curativas para el organismo animal, y por ello el grupo a atraído la atención de los investigadores desde los comienzos de la química orgánica. Se localizan generalmente en las semillas, hojas, corteza o raíces de las plantas, siendo usual que en cada lugar se encuentren varios alcaloides estrechamente vinculados entre sí. Por ejemplo, la nicotina es el alcaloide principal de la hoja de tabaco, pero se encuentra por las tres bases afines que se indican: Nicotina, nor-Nicotina, Miosmina y Nicotinina. A su vez, el contenido total de los alcaloides y la proporción relativa de las distintas bases pueden variar considerablemente con el estado de crecimiento de la planta. Las bases se encuentran casi siempre en forma de sales con ácidos vegetales comunes (acético, oxálico, láctico, málico, tartárico, cítrico) o con ciertos ácidos especiales: fumárico en Fumaria officinalis, verátrico en Veratrum sabadilla, acónito en Aconitum napellus. Para el estudio de las estructuras más complejas de los productos naturales incluidos los alcaloides, la degradación de Hofmann, consistente en
el tratamiento con hidróxido de amonio, ha logrado altos resultados en la
contribución de la determinación de las estructuras correspondientes.

Extración

La propiedad más importante y común a al mayoría de los alcaloides es su basicidad, es por ello que su extracción y purificación suelen hacerse en base a esa propiedad. Se extraen generalmente del vegetal, con soluciones acuosas ácidas o bien son desplazados de sus combinaciones por medio de un álcalis y extraído por un solvente orgánico. Algunos alcaloides volátiles (nicotina) pueden ser extraídos por destilación por arrastre con vapor de agua en medio alcalino. En caso de ser extraído con un ácido del vegetal, puede purificarse haciendo la solución alcalina y el alcaloide extraído con solvente orgánico. En este proceso, sustancias solubles en agua son separadas de los alcaloides. De esta manera pueden extraerse todos los alcaloides presentes en un vegetal ya que en la misma siempre se hallan varios alcaloides relacionados estructuralmente. Una separación más precisa requiere de métodos más sofisticados (cromatografías de papel, de gases). Algunos alcaloides son reconocidos posteriormente por reacciones de precipitación originadas por los ácidos de metales pesados como: silicotúgstico, cloroplatínico, fosfomolíbdico. De igual forma los llamados Reactivos Generales de Alcaloides como los de Mayer (yodo mercuriato de potasio), Bouchardat (yodo ioduro de potasio),
Dragendorf (ioduro doble de bismuto y potasio), Bertran (ácido silicotúgstico),
Wagner (yodo ioduro de potasio), ácido tánico al 5 % y ácido pícrico al 1 % dan
precipitados coloreados con grupos de alcaloides.

Clasificación

La clasificación sistemática de los alcaloides se ve sumamente dificultada al ser tan numerosos y poseer muchas variedades de estructuras. La agrupación de los alcaloides suele realizarse en base al tipo de anillo heterocíclico y se ordenan a medida va aumentando la complejidad, sin embargo existen excepciones. A continuación se detallan algunos grupos de alcaloides, según el anillo heterocíclico de que derivan. Derivados de las PIRROLIDINAS (C4 N) La higrina (del griego hygro, Húmedo) y la cuscohygrina son bases oleosas que se encuentran como alcaloides secundarios acompañando a la cocaína en las hojas de coca de la región de Cuzco, Perú. La piperina, un alcaloide del fruto de la pimienta negra (Piper nigrum) La coniína, un alcaloide dextrógiro de olor peculiar aislado en 1827 de la planta venenosa de cicuta (Conium maculatum). Acompañan a este alcaloide en la cicuta, la conhidrina y la gama coniceína. Las peletierinas, consistente en cuatro alcaloides presentes en la corteza de granado (Punica granatum L.) aisladas en 1878 y cuya denominación fuera en honor a químico francés J. P. Pelletier. Peletierina , iso-peletierina, sudo-peletierina y metilpeletierina derivados del aminoaldehido establecido por el químico K. Hess. La nicotina, alcaloide principal de la hoja de tabaco (Nicotiana tabacum) se halla acompañado por tres bases afines, la nor-nicotina, miosmina y nicotinima. Nicotina nor-Nicotina Miosmina Nicotinita La proporción relativa de las distintas bases pueden variar considerablemente con el estado de crecimiento de la planta. Las bases se encuentran casi siempre en forma de sales con ácidos vegetales comunes. Derivados del TROPANO La cocaína, la atropina y la escopolamina, son los miembros más importantes del grupo, derivan de la base fundamental denominada tropano, que tiene un anillo de siete átomos de carbono con un puente interior de nitrógeno que fija el esqueleto de una manera similar a una jaula La cocaína se obtiene comercialmente de las hojas de coca. El clorhidrato se emplea en medicina como anestésico local de superficie. La atropina, que se aisla de Atropa belladona, se emplea como sulfato de atropina para suprimir las secreciones salivares, gástricas y del aparato respiratorio. Restos de hojas de cocas halladas en tumbas incas, indican que era usada por esta civilización para resistir largas caminatas y saciar el apetito. Derivados de éstos alcaloides se hallan presente en Datura. Derivados de la QUINOLÍNICOS E ISOQUINOLÍNICOS La quinina se extrae del árbol de la quina (Cinchona officinalis), junto con diversos alcaloides acompañantes. Se lo cultiva en India, Ceilán y Java. Durante varios siglos la quinina ha sido el único agente capaz de curar el La mezcalina, alcaloide presente en cactus, es un potente alucinógeno, utilizado por los indios de Méjico en rituales religiosos. La papaverina es un alcaloide isoquinilínico, encontrado en el opio, junto con morfina, narcotina, codeína papaverina y tebaína. Otro derivado, el curare, hallado en Chondodendron tomentosun era utilizado por los indios americanos para envenenar las flechas, causando una relajación completa de los músculos, muriendo la víctima por falta de respiración. Otro tipo de alcaloides son los INDÖLICOS, amplio y variado grupo que contienen sistemas cíclicos elaborados. La estricnina y brucina se aisla junto con otros alcaloides de Strychnos nuxvómica . Los alcaloides del cornezuelo (ergotamina, ergotoxina,ergonovina) son una mezcla de alcaloides peptídicos obtenidos del hongo Claviceps purpúrea, posee color pardo grisáceo o pardo purpúrea característico. Parásita del centeno recibe el nombre de “Cornezuelo del centeno”, también es parásita de otras gramíneas. Posiblemente forme los alcaloides altamente tóxicos a partir de la acción parasitaria del hongo sobre las proteínas de las plantas. Empleado en medicina como vasoconstrictor. El envenenamiento por la ingesta de ellos se conoce con el nombre de ergotismo. Los precedentes son sólo algunos de los grupos de alcaloides estudiados y sintetizados.

Importancia agronómica

La importacia agronómica de las plantas que contienen alcaloides reside en su potencial poder tóxico para el ganado que las ingiere. No existe una información muy extensa en nuestro país a este tema. No es suficiente establecer que una especie es venenosa, para considerarla por ese único motivo, peligrosa o perjudicial para el ganado en una región determinada. Es imprescindible también tener en cuenta otros factores, ya que es indudable que algunas plantas tóxicas, a pesar de ser muy abundantes, sólo provocan envenenamiento en forma esporádica, ya que los animales no la comen habitualmente debido a que son cáusticas, o tienen mal olor o sabor desagradable. Por ello los vegetales venenosos que no son utilizados comúnmente por los animales en su alimentación, no pueden ser considerados
muy nocivos mientras no se compruebe con certeza su peligrosidad mediante
la verificación de casos frecuentes de intoxicación.
Acción fisiológica

La familia de las Solanáceas, poseen alcaloides del grupo de la belladona, denominado atropina, hioscimina y escopolamina. Ellos poseen dos acciones principales sobre los animales, estimulates o depresores del sistema nervioso central y bloquea los efectos muscarínicos de la acetilcolina. Sus efectos más notables son: acción sobre el aparato de la visión (relajación de los músculos filiares). Acción sobre el sistema respiratorio, a pequeñas dosis aumenta la frecuencia y amplitud, a dosis altas deprime la respiración llevando a la muerte por parálisis respiratoria. Acción sobre el sistema cardiovascular, actúa sobre el corazón debido al bloqueo de los impulsos vagales. Aumenta la frecuencia cardiaca. Produce vasodilatación sobre la piel. Acción sobre el sistema digestivo, anula la secreción salival y gástrica. Disminuye la motilidad del estómago e intestino. Acción sobre el sistema nervioso central, la atropina provoca estimulación de los centros cerebrales y bulbares, produce inquietud, excitación, delirio y luego sobreviene una fase depresiva, llevando al coma por parálisis del centro respiratorio. observadas han sido sequedad de la boca, náuseas, convulsiones. Fotofobia (dilatación de las pupilas), taquicardia, piel
roja, seca y caliente (eritema). Degeneración hepática, edema pulmonar, cuajo,
intestino delgado y grueso congestionados.

Especies argentinas que contienen alcaloides

Un trabajo del Ing. Agr. A. Ragonese publicado en la Revista de la Facultad de Agronomía de La Plata cita como plantas tóxicas entre la flora correspondiente a la Provincia de Buenos Aires, La Pampa, sur de Córdoba, sur de San Luis, sureste de Mendoza, las siguientes: Duraznillo negro (Cestrum parqui), Chucho violeta (Nierembergia hippomanica), Tabaco cimarrón (Nicotiana cavanillessi), Palan palan (Nicotiana glauca), Cardo santo (argemona mexicana), Chamico (Datura feroz), Retama (Spartium junceum), Cicuta (Conium maculatum), Trigollo (Lolium temulentum), Apio cimarrón (Ranunculus apifolium). El Dr. Guillermo G. Gallo cita en su libro “Plantas tóxicas para el ganado en el cono sur de América”, a las siguientes especies de Argentina que contienen alcaloides. Yerba de la vívora, asclepiadina, (Asclepios mellodora) Duraznillo negro, palqui, parquita, (Cestrum parqui) Chucho violeta, nierenbergina, (Nierembergia hipomanica) Tabaco cimarrón, tabaquillo, nor-nicotina, (Nicotiana cavanillesii) Palán-palán, anabasina, (Nicotiana glauca) Chamico, atropian, escopolamina, hiosciamina, (Datura feroz) Cardo santo, protopina, berberina, (Argemone mexicana) Cicuta, coniína, coniceína, conhidrina, (Conium maculatum) Trigollo, perlidina, emulita, (Lolium temulentum) Apio cimarrón, ramunculina, (Ramunculus apiifolium) Paraíso, paraisina, margosina, azedarina, (Melia azedarach)
Yerba mora, solanina, (Solanum nigrum)
Meloncillo del campo, solanina, (Solanum eleagnifolium)
Romerillo, mío mío, sacarina, (Baccharis coridifolia)

Bibliografía

Castro, Américo, L. ; Choquecillo, Fritz, P.; Félix, Luis, V.; Milla, Hugo; Bell,
Carlos; Cástro , Néstor; Palomini, R.; Armas, S.; Ramos, N. y Calderón A.
2002. Investigación de metabolitos secundarios en plantas medicinales con
efecto hipoglicemiante y determinación del cromo como factor de tolerancia a la
glucosa. Ciencia e Investigación. Vol. 5 Nº 1. 1-5.
Domínguez, Xorge A. 1973. Métodos de investigación fotoquímica. Ed. Limusa
S. A. México 281 p.
Gallo, Guillermo G. 1979. Plantas tóxicas para el ganado en el cono sur de
América. Ed. Universitaria de Buenos Aires. 255 p.
González, A. D., Janke, R. y Rapoport, E. H. 2003. Valor nutricional de las
malezas comestibles. Ciencia Hoy. Vol. 13 Nº 76. 40-47.
Morrison, R. T. y Boyd, R. N. 1998. Química orgánica. Ed. Addison Wesley
Longman. México S. A. 5º Ed. 1474 p.
Noller, C. R. 1978. Química de los compuestos orgánicos. 3º Ed. El Ateneo Bs.
As. 1317 p.

Source: http://www.agro.unlpam.edu.ar/catedras-pdf/ALCALOIDES.pdf