Alcaloïdes: structure, biosynthèse, classification et utilisations

Les alcaloïdes sont des molécules contenant des atomes d'azote et de carbone dans leur structure moléculaire, qui forme généralement des cycles complexes. Le terme alcaloïde, qui avait été proposé pour la première fois par le pharmacien W. Meissner en 1819, signifie "similaire à un alcali".

Le terme "alcalin" désigne la capacité d'une molécule à absorber les ions hydrogène (protons) d'un acide. Les alcaloïdes se trouvent sous forme de molécules individuelles. Ils sont donc petits et peuvent absorber les ions hydrogène en les transformant en une base.

Certaines bases communes incluent le lait, le carbonate de calcium dans les antiacides ou l'ammoniac dans les produits de nettoyage. Les alcaloïdes sont produits par certains êtres vivants, en particulier les plantes. Cependant, le rôle de ces molécules dans les légumes n'est pas clair.

Indépendamment de leur rôle dans les plantes, de nombreux alcaloïdes ont des utilisations en médecine pour les humains. Les analgésiques dérivés du pavot à opium, tels que la morphine, existent depuis 1805. Un autre exemple est la quinine antipaludique, utilisée par les tribus amazoniennes depuis plus de 400 ans.

La structure

Les structures chimiques des alcaloïdes sont extrêmement variables. Généralement, un alcaloïde contient au moins un atome d'azote dans une structure de type amine; c'est-à-dire un dérivé d'ammoniac remplaçant les atomes d'hydrogène par des groupes hydrogène-carbone appelés hydrocarbures.

Cet atome d'azote ou un autre peut être actif en tant que base dans les réactions acide-base. Le nom d'alcaloïde a été à l'origine appliqué à ces substances car, comme les alcalins inorganiques, elles réagissent avec les acides pour former des sels.

La plupart des alcaloïdes ont un ou plusieurs de leurs atomes d'azote faisant partie d'un cycle d'atomes, souvent appelé système cyclique. Les noms des alcaloïdes se terminent généralement par le suffixe "-ina", une référence à leur classification chimique en tant qu'amines.

Biosynthèse

La biosynthèse d'alcaloïdes dans les plantes implique de nombreuses étapes métaboliques, catalysées par des enzymes appartenant à un large éventail de familles de protéines; pour cette raison, les voies de la biosynthèse des alcaloïdes sont extrêmement complexes.

Néanmoins, il est possible de commenter certaines généralités. Il existe certaines branches principales dans la synthèse des alcaloïdes, notamment:

Biosynthèse d'alcaloïdes trolaniques et nicotiniques

Dans ce groupe d'alcaloïdes, la biosynthèse est réalisée à partir des composés L-Arginine et Ornithine. Celles-ci subissent un processus de décarboxylation à médiation par leurs enzymes respectives: l'arginine décarboxylase et l'ornithine décarboxylase.

Le produit de ces réactions sont des molécules de putrecine. Après d’autres étapes, qui incluent le transfert de groupes méthyle, des dérivés nicotiniques (tels que la nicotine) et tropiques (tels que l’atropine et la scopolamine) sont produits.

Biosynthèse d'alcaloïdes benzylisoquinoléines

La synthèse des alcaloïdes de benzylisoquinoléine commence à partir des molécules de L-tyrosine, qui sont décarboxylées par l'enzyme tyrosine décarboxylase pour donner naissance à des molécules de tyramine.

L'enzyme norcoclaurine synthase utilise la tyramine produite à l'étape précédente et la L-DOPA pour former des molécules de norcoclaurine; ils subissent une autre série de réactions complexes pour donner naissance aux alcaloïdes berbérine, morphine et codéine.

Biosynthèse d'alcaloïdes indoliques terpéniques

Ce groupe d'alcaloïdes est synthétisé à partir de deux voies: l'une qui part du L-tryptophane et l'autre du géraniol. Les produits de ces voies sont la tryptamine et la sécolaganine, ces molécules sont le substrat de l'enzyme estrectosidina synthase, qui catalyse la synthèse de la strictosidine.

De l'estrectosidina sont produits les différents alcaloïdes indoliques terpénicos, comme l'ajmalicina, la catarantina, la serpentina et la vinblastina; ce dernier a été utilisé dans le traitement de la maladie de Hodgkin.

Dans les domaines de la biochimie structurale, de la biologie moléculaire et cellulaire et des applications biotechnologiques, la caractérisation de nouvelles enzymes biosynthétiques d'alcaloïdes a fait l'objet de recherches au cours des dernières années.

Classification

En raison de leur diversité et de leur complexité structurelle, les alcaloïdes peuvent être classés de différentes manières:

Selon son origine biosynthétique

Selon leur origine biosynthétique, les alcaloïdes sont classés en trois groupes principaux:

Vrais alcaloïdes

Ce sont ceux qui sont dérivés d'acides aminés et dont l'atome d'azote fait partie du noyau hétérocyclique. Par exemple: hygrin, cocaïne et physostigmine.

Protoalcaloides

Ils sont également dérivés d'acides aminés, mais l'azote ne fait pas partie du noyau hétérocyclique. Par exemple: éphédrine et colchicine.

Pseudo-alcaloïdes

Ce sont les alcaloïdes qui ne dérivent pas des acides aminés et l'azote fait partie de la structure hétérocyclique. Par exemple: aconitine (alcaloïde terpénique) et solanidine (alcaloïde stéroïdien).

Selon son prédécesseur biogénétique

Dans cette classification, les alcaloïdes sont regroupés en fonction de la molécule à partir de laquelle commence leur synthèse. Ainsi, les alcaloïdes dérivés de:

- L-phénylalanine.

- L-Tyrosine.

- L-Tryptophane.

- L-Ornithine.

- L-lysine.

- L-Histidine.

- acide nicotinique.

- acide anthranilique.

- bases pyrrhic.

- Métabolisme des terpènes.

Selon sa structure chimique ou son noyau basique

- pyrrolidine.

- pyridine-pyrrolidine.

- Isoquinoline.

- l'imidazole.

- la pipéridine.

- pyridine-pipéridine.

- La quinoline.

- Purina.

- Tropane.

- Indol .

Utilisations

Les alcaloïdes ont de multiples utilisations et applications, tant dans la nature que dans la société. En médecine, l'utilisation des alcaloïdes est basée sur les effets physiologiques qu'ils provoquent sur le corps, ce qui constitue une mesure de la toxicité du composé.

En tant que molécules organiques produites par des êtres vivants, les alcaloïdes ont la capacité structurelle d'interagir avec les systèmes biologiques et ont une incidence directe sur la physiologie d'un organisme. Cette propriété peut paraître dangereuse, mais l'utilisation d'alcaloïdes de manière contrôlée est très utile.

Malgré sa toxicité, certains alcaloïdes sont utiles lorsqu'ils sont utilisés aux doses correctes. Un excès de dose pourrait causer des dommages et être considéré comme un poison pour l'organisme.

Les alcaloïdes sont obtenus principalement à partir d'arbustes et d'herbes. Ils peuvent être trouvés dans différentes parties de la plante, telles que les feuilles, la tige, les racines, etc.

Les alcaloïdes peuvent être utilisés comme médicaments

Certains alcaloïdes ont une activité pharmacologique importante. Ces effets physiologiques en font des médicaments précieux pour soigner certains troubles graves.

Par exemple, la vincristine Vinca roseus est utilisée comme médicament anticancéreux, tandis que l’éphédrine distachya éphédrine est utilisée pour réguler la pression artérielle.

Le curarina, qui se trouve dans le curare, est un puissant relaxant musculaire; l'atropine, qui est utilisée pour dilater les pupilles; la codéine, utilisée comme antitussif; et les alcaloïdes de l'ergot, utilisés entre autres pour soulager la migraine.

Les alcaloïdes peuvent être utilisés comme stupéfiants

De nombreuses substances psychotropes, qui agissent sur le système nerveux central, sont des alcaloïdes. Par exemple, l'opium morphine ( Papaver somniferum ) est considéré comme un médicament et un analgésique. Le diéthylamide de l'acide lysergique, mieux connu sous le nom de LSD, est un alcaloïde et un médicament psychédélique.

Ces stupéfiants sont utilisés depuis l'Antiquité comme instruments d'excitation mentale et d'euphorie, bien qu'ils soient considérés comme nuisibles selon la médecine moderne.

Les alcaloïdes peuvent être utilisés comme pesticides et répulsifs

La plupart des pesticides et des répulsifs naturels sont dérivés de plantes, où ils exercent leur fonction en tant que partie intégrante du système de défense de la plante contre les insectes, les champignons ou les bactéries qui les affectent. Ces composés sont généralement des alcaloïdes.

Comme mentionné ci-dessus, ces alcaloïdes sont toxiques par nature, bien que cette propriété dépende en grande partie de la concentration.

Par exemple, la pyréthrine est utilisée comme insectifuge, à une concentration mortelle pour les moustiques mais pas pour l'homme.

Les alcaloïdes peuvent être utilisés dans la recherche scientifique

En raison de leurs effets spécifiques sur le corps, les alcaloïdes sont largement utilisés dans les études scientifiques. Par exemple, l'atropine alcaloïde peut provoquer une dilatation de la pupille.

Ensuite, pour évaluer si une nouvelle substance a des effets similaires ou opposés, elle est comparée à l'effet de l'atropine.

Certains alcaloïdes sont étudiés avec un grand intérêt en raison de leurs propriétés antitumorales, telles que la vinblastine et la vincristine.

Parmi les autres alcaloïdes importants dans la recherche scientifique figurent la quinine, la codéine, la nicotine, la morphine, la scopolamine et la réserpine, entre autres.