Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 13.05.16

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Alkaloide

Vortrag von Sandra Wetzel im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Organische Chemie", SS 2007

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Gliederung:

1 Was sind Alkaloide?

2 Einteilung der Alkaloide

2.1 Tropan-Alkaloide

2.2 Chinolin-Alkaloide

2.3 Isochinolin-Alkaloide

2.4 Alkaloide mit Pyrrolidin- oder Indolstruktur

2.5 Alkaloide mit Pyridin- und Piperidinstruktur

3 Nikotin - Rauchen macht abhängig!

3.1 Charakteristika von Nikotin

3.2 Wirkungsweise von Nikotin

3.3 Synthese von Nikotin

3.4 Verwendung von Nikotin

4 Alkaloide in der Nahrung

5 Literatur

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Trinken sie Kaffee oder Tee, Rauchen sie oder haben sie eine Schwäche für Schokolade? Wenn ja, dann nehmen sie auch Verbindungen zu sich, die zur Stoffklasse der Alkaloide zählen. Der Otto-Normalverbraucher kann sich kaum etwas unter dieser Stoffklasse vorstellen.

Mittels dieser Seite wird ein kleiner Einblick in die bemerkenswerte Stoffklasse der Alkaloide geliefert.

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1 Was sind Alkaloide?

Das Wort Alkaloid leitet sich aus dem Arabischen al qualja: „Pflanzenasche“ und dem Griechischen –oides: „ähnlich“ ab.

Erstmals wurde dieser Begriff 1819 durch den Apotheker Carl Wilhelm Friedrich Meissner für „alkaliähnliche“ Pflanzenstoffe verwendet.

Allerdings erst 1882 etablierte sich der Begriff Alkaloid.

1890 wurden unter Alkaloide unbekannte, pflanzliche Verbindungen zusammen gefasst, die auf irgendeiner Weise physiologisch aktiv waren und basische Eigenschaften besaßen.

Bis in die Gegenwart hat sich das Verständnis über diese Stoffklasse vielfach verändert. So sind heute von Tieren, Pilzen und Mikroorganismen stammende Alkaloide bekannt. Auch ist mittlerweile die Struktur von zahlreichen Alkaloiden aufgeklärt worden. Alkaloide enthalten stets Stickstoff, was in neueren Definitionen mit einfließt. Im Weiteren zeigte sich, dass nicht alle Alkaloide alkalisch sind (beispielsweise Colchicin).

In Folge der uneinheitlichen Eigenschaften der Alkaloide und der zum Teil noch unbekannten Struktur existiert bis heute keine feste Definition.

Einzig diese sehr allgemeine Definition, scheint für alle Alkaloide zu zutreffen:

Alkaloide sind stickstoffhaltige organische Verbindungen natürlichen Ursprungs mit mehr oder weniger ausgeprägtem basischem Charakter. [1]

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2 Einteilung der Alkaloide

Die Einteilung der Alkaloide kann nach unterschiedlichsten Kriterien erfolgen. Mögliche Kriterien können Biogenese, Herkunft, Verwendung oder physiologischer Wirkung sein. Hier wurde eine Einteilung nach der Grundstruktur vorgenommen, wobei ausschließlich heterocyclische Alkaloide berücksichtigt wurden.

2.1 Tropan-Alkaloide

Abb. 1: Tropan

Von historischer Bedeutung ist aus dieser Gruppe das Atropin. Atropin bezeichnet nicht ein einzelnes Alkaloid sondern das S,R-Racemat des Alkaloids Hyoscyamins (Abb. 2, 3). Das S-Hyoscyamin kommt unter anderen in der Schwarzen Tollkirsche (Atropa belladonna) (Abb. 4) vor. Bei der Isolierung dieser Verbindung aus der Pflanze kommt es Racemisierung.

Abb. 2: R-Hyoscyamin Abb. 3: S-Hyoscyamin
 
 
Abb. 4: Schwarze Tollkirsche (Atropa belladonna) [12]

Eine verdünnte Atropinlösung ins Auge geträufelt verursacht eine Pupillenerweiterung. Es tritt der Rehaugeneffekt auf. Heute findet dies Anwendung in der Augenheilkunde. Früher wurde die Atropinlösung aus kosmetischen Zwecken von Frauen aus dem Orient und Europa verwendet, da zur damaligen Zeit Rehaugen als besonders schön ("bella donna") galten.

Weitere Vertreter dieser Gruppe sind Scopolamin und Cocain.

2.2 Chinolin-Alkaloide

Abb. 5: Chinolin

Chinin und Cinochonin (Abb. 6) sind zwei Vertreter dieser Gruppe, die aus der Chinarinde (Cinchona-Arten)gewonnen werden. Beide Verbindungen finden Anwendung in der Malariabehandlung. Sie hemmen das Wachstum des Malariaerregers im Blut.

= Cinochonin

= Chinin

Abb. 6: Chinin und Cinochonin

2.3 Isochinolin-Alkaloide

Abb. 7: Isochinolin

Vertreter dieser Gruppe finden sich unter anderem im Milchsaft des Schlafmohns (Papaver sumniferum). Der Milchsaft wird als Opium bezeichnet. Gewonnen wird Opium durch Anritzen der unreifen Kapselfrüchte. An der Luft erstarrt der zunächst weiße Milchsaft, welcher sich später braun verfärbt. In diesem Zustand wird das Opium geerntet (Abb. 8-11).

[Hier befand sich ein Foto der Schlafmohnblüte, welches aufgrund einer Verletzung des Urheberrechts entfernt wurde.]
Abb. 8: Schlafmohnblüte [15] Abb. 9: Schlafmohnkapseln [16]
   
[Hier befand sich ein Foto der Opiumernte, welches wegen fehlender Quellenangabe entfernt wurde.]
Abb. 10: Opiumernte [17] Abb. 11: Opiumlaib [18]

Im Opium sind 37 Alkaloide enthalten. Morphin (Abb. 12) ist ein Isochinolin-Alkaloide, welches bis zu 20% im Opium enthalten sein kann. Weitere Isochinolin-Alkaloide im Opium sind Codein, Thebain und Narcotin.

Abb. 12: Morphin

Morphin wird in der Medizin als starkes Schmerzmittel verwendet. Ebenfalls wird es als Droge missbraucht.

Weitere Vertreter dieser Gruppe sind Heroin, Papaverin, Laudanosin, Hydrastin und Berberin.

2.4 Alkaloide mit Pyrrolidin- oder Indolstruktur

Abb. 13: Pyrrolidin Abb. 14: Indol

Ein bekannter Vertreter dieser Gruppe ist Strychnin (Abb. 15).

Abb. 15: Strychnin

Abb. 16: Natürliche Quelle von Strychnin: Gewöhnliche Brechnuss (Strychnos nux-vomica) [13]

Strychnin ist ein sehr starkes, bitter schmeckendes Gift, welches bei der Einnahme von 100mg tödlich sein kann. Es bewirkt starke, tetanusartige Krämpfe. Der Tod tritt durch Starrkrampf der Atemmuskulatur ein. Dieses Gift wurde und wird als Rattengift verwendet. Entwendet wird es leider auch für die Beseitigung unliebsamer Mitmenschen, was zu einem traurigen Bekanntheitsgrad dieser Verbindung führt.

Weitere Vertreter dieser Gruppe sind Hygrin, Cuscohygrin, Physotigmin, Brucin, Yohimbin, Reserpin und Ergotamin.

2.5 Alkaloide mit Pyridin- und Piperidinstruktur

Abb. 17: Pyridin Abb. 18: Piperidin

Das Nikotin als bekanntester Vertreter wird im folgenden Abschnitt näher erläutert.

Weitere Vertreter dieser Gruppe sind Anabasin, Coniin, Piperin und Lobelin.

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3 Nikotin - Rauchen macht abhängig!

Im Rauch einer Zigarette befinden sich über 3000 verschiedene Verbindungen. Einige dieser Verbindungen, wie Kohlenstoffmonoxid und Blausäure, weisen eine hohe Toxizität auf. Allein dies ist ein Grund mit dem Rauchen aufzuhören.

Doch leider fällt vielen Rauchern das Aufhören unheimlich schwer. Der Grund hierfür ist in der Suchtwirkung des Nikotins zu finden.

3.1 Charakteristika von Nikotin

bulletBezeichnung nach IUPAC-Nomenklatur als 3-(1-Methyl-pyrrolidin-2-yl)-pyridin
bulletsetzt sich aus zwei verschiedenen heterocyclischen Ringen zusammen: das N-Methylpyrrolidin und das 3-Pyridyl
bulletweist einen chiralen Kohlenstoff auf, sodass zwei Enantiomere existieren (Abb. 19, 20)
Abb. 19: R-Nikotin Abb. 20: S-Nikotin
bulletist bei Raumtemperatur eine farblose, ölige Flüssigkeit
bulletverfärbt sich an der Luft braun
bulletweist einen tabakähnlichen Geruch auf
bulletsiedet bei 246-247°C und schmilzt bei -80°C
bulletist wasser- und alkohollöslich
bulletist eine schwache Base
bulletist für höhere Tiere sehr giftig (tödliche Dosis für Mensch rund 50 mg)
bulletkommt in größeren Mengen in den Blättern der Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum und N. rustica) vor
bulletdient den Pflanzen als Schutz gegen Herbivoren

3.2 Wirkungsweise von Nikotin

Die Wirkungsweise des Nikotins beruht auf der Ähnlichkeit zum Neurotransmitter Acetylcholin (ACh). Der Neurotransmitter dient  zur Informationsübertragung bei chemischen Synapsen (Abb. 21).

[Hier befand sich eine Grafik einer Synapse, welche aufgrund fehlender Quellenangabe entfernt wurde.]

Abb. 21: Schematische Darstellung der Informationsübermittlung an der Synapse [8]

Die Neurotransmitter werden zunächst in Vesikeln am Synapsenendknöpfchen des Axons einer Nervenzelle gespeichert. Die Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt erfolgt bei einem Anstieg der intrazellulären Calcium-Konzentration. Dies tritt ein, wenn durch ein auftreffendes Aktionspotential die spannungsempfindlichen Calciumkanäle kurzzeitig geöffnet werden. Das Calcium "strömt" in Richtung des Konzentrationsgefälles in das Zellinnere. Dort bewirkt es die Konformationsänderungen der Calciumbindenden Proteine von den Vesikeln. In Folge dessen geben die Vesikel ihren Inhalt durch Exocytose in den synaptischen Spalt ab.

An der postsynaptischen Membran binden die Neurotransmitter an Rezeptoren. Dadurch kommt es zur Öffnung von Ionenkanälen und damit zu einer Änderung des Membranpotentials der postsynaptischen Membran.

Durch die Wirkung von Acetylcholinesterase wird Acetylcholin in Essigsäure und Cholin hydrolysiert. Damit verliert der Neurotransmitter seine Wirkung und löst sich von den Rezeptoren an der postsynaptischen Membran. Dadurch verschließen sich die Ionenkanälchen, so dass eine Repolarisation der Membran erfolgen kann.

Nikotin kann durch seiner Ähnlichkeit zur Acetylcholin ebenfalls an spezifische Acetycholin-Rezeptoren (nikotinerge Acetycholin-Rezeptoren) binden. Somit hat es eine analoge Wirkung. Problematisch dabei ist, dass kein Enzym vorhanden ist, welches die Wirkung von Nikotin durch dessen Spaltung hemmt. Die Ionenkänale verschließen sich erst, wenn sich Nikotin zufällig vom Rezeptor löst.

Nikotin wirkt hierdurch in geringen Konzentrationen stimulierend und beruhigend. In höheren Konzentrationen führt es zu Halluzinationen und Verwirrung und kann schlussendlich zum Tod durch Atemlähmung führen.

3.3 Synthese von Nikotin

Die Biosynthese des Alkaloids erfolgt in den Wurzeln im Sekundärenstoffwechsel der Pflanzen.

Abb. 22: Aktivierung der Nikotinsäure
 
Abb. 23: Biosynthese von Nikotin

Die Nikotinsäure wird zunächst enzymatisch aktiviert (Abb. 22). Die aktive 3,6-Dihydronikotinsäure reagiert anschließend mit N-Methyl-pyrrolinium und unter Einwirkung von Enzymen zu Nikotin (Abb. 23).

Bis heute sind die beteiligten Enzyme unbekannt.

Bisher wurden zahlreiche Synthesen des Alkaloids beschrieben. Ihre Bedeutung beschränkt sich allerdings rein auf den Strukturbeweis, da Nikotin leicht in großen Mengen aus den Tabakblättern isoliert werden kann.

3.4 Verwendung von Nikotin

Bekanntermaßen wird Nikotin als Droge missbraucht. Durch rauchen oder kauen von Tabakerzeugnissen wird das Alkaloid aufgenommen. Daneben wird Nikotin zur Suchtentwöhnung verwendet. Die Darreichungsform sind hier Kaugummis oder Nikotinpflaster.

Des Weiteren könnte zukünftig Nikotin in der Medizin an Bedeutung zunehmen. Es gibt Hinweise, dass Nikotin einen positiven Einfluss auf den Erkrankungsverlauf von Parkinson und Alzheimer hat. Im Weitern soll Nikotin den Ausbruch von Colitis ulcerosa (Entzündung des Dickdarms) verzögern.

Nikotin kann auch als Insektizid im Haushalt verwendet werden. Das Insektizid lässt sich leicht aus einer handvoll Tabak und zwei Liter Leitungswasser herstellen. Der Tabak wird mit dem kochenden Wasser einfach übergossen. Der Sud sollte mehrere Stunden ziehen. Anschließend werden die pflanzlichen Bestandteile mittels Sieb aus dem Sud entfernt. Fertig ist das Insektizid.

Die Wirkung des Insektizids wurde von mir an Blattläusen (Aphiden) getestet. Dafür hatte ich Blattläuse aus dem Garten in zwei kleine Schälchen mit Filterpapier übertragen. Die Blattläuse in der ersten Schale wurden mit dem Tabaksud besprüht. Demgegenüber wurden die Blattläuse in der zweiten Schale mit Leitungswasser als Kontrolle besprüht. Innerhalb einer Stunde waren die Blattläuse aus der ersten Schale tot (Abb. 24), wohingegen im Kontrollansatz fast alle Blattläuse noch lebten (Abb. 25).

Abb. 24: Tote Blattläuse nach einstündiger Einwirkzeit des Nikotinsuds Abb. 25: Lebende Blattläuse nach besprühen mit Leitungswasser (Kontrollansatz)

Inwieweit der Tabaksud gegen andere Schädlinge, wie Schildläuse (Coccoidea) oder Wollläuse (Pseudococcoidea), hilft, hab ich allerdings nicht getestet. Womöglich fällt hier durch die Wachse auf der Oberfläche der Tiere die Wirkung geringer aus. Abhilfe könnte hier ein Paar Tropfen Seife im Tabaksud schaffen (Achtung: Nicht zuviel Seife; schadet sonst der Pflanze.).

Auch muss bei der Anwendung des Tabaksuds bedacht werden, dass Nikotin ein Kontaktgift ist. Man sollte deshalb Handschuhe beim Besprühen tragen. Des Weiteren sollte das Insektizid und die besprühten Pflanzen außerhalb der Reichweite von Kindern befinden.

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4 Alkaloide in der Nahrung

Capsaicin macht das Essen scharf! Dieses Alkaloid findet man in Paprika und insbesondere im Chili bzw. Cayennepfeffer (gemahlene Chilis).

Abb. 26: Capsicin

weiterführende Links:

bullet http://de.wikipedia.org/wiki/Capsaicin
bullet http://www.pepperworld.com/basics/capsaicin.htm 

Chinin wird in Bitter-Lemon und Tonic-Water als Bitterstoff zugesetzt.

Abb. 27: Chinin

weiterführende Links:

bullethttp://de.wikipedia.org/wiki/Chinin 
bullet http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/09_00.htm 
bullet http://www.vis.bayern.de/ernaehrung/lebensmittel/gruppen/chinin_getraenke.htm 
bullet http://www.bfr.bund.de/cm/208/chininhaltige_getraenke_koennen_ gesundheitliich_problematisch_sein.pdf

Cocain war bis 1902 Bestandteil von Coca-Cola. Des Weiteren befand sich Cocain auch in Red Bull Cola. Dieses Getränk wurde allerdings kürzlich in einigen Bundesländern verboten.

Abb. 28: Cocain

weiterführende Links:

bullethttp://de.wikipedia.org/wiki/Kokain 
bullethttp://de.wikipedia.org/wiki/Coca-Cola 
bullet http://www.sueddeutsche.de/panorama/6/469561/text/ 
bullet http://www.drogen-wissen.de/DRUGS/DW_GE/cocain.shtml 

Coffein findet sich in Kaffee, Grünen und Schwarzen Tee. Häufig wird Coffein Energydrinks zugesetzt.

Abb. 29: Coffein

weiterführende Links:

bullethttp://de.wikipedia.org/wiki/Coffein 
bullet http://www-oc.chemie.uni-regensburg.de/Reiser/ChemieAlltag/Coffein.pdf 
bullet http://www.swisseduc.ch/chemie/schwerpunkte/coffein/docs/coffein.pdf 
bullet http://www.uni-jena.de/data/unijena_/faculties/bio_pharm/ ieu/ls_lmc/11.0.Alkaloidr.LM(1.Teil)%206.Sem.doc 

Piperin macht den schwarzen Pfeffer (Piper niger) scharf.

Abb. 30: Piperin

weiterführende Links:

bullethttp://de.wikipedia.org/wiki/Piperin 
bullet http://www.versuchschemie.de/ptopic,84151.html 

Theobromin kommt in fast jeder Schokoladensorte vor außer in weißer Schokolade.

Abb. 31: Theobromin

weiterführende Links

bullethttp://de.wikipedia.org/wiki/Theobromin 
bullet http://www.food-info.net/de/qa/qa-fp50.htm 

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Zusammenfassung

Alkaloide sind stickstoffhaltige, organische Verbindungen unterschiedlichen Ursprungs. Sie unterscheiden sich erheblich in ihrer Struktur, so dass eine Einteilung oder gar eine Definition schwer fällt. Ein Teil von diesen Verbindungen beeinflussen spürbar die menschliche Physiologie. So werden einige Verbindungen als Drogen oder Gift missbraucht. Andere Verbindungen aus dieser Stoffgruppe finden dagegen Anwendung in der Medizin oder auch in unserem Alltag als leicht aufputschende Mittelchen.

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5 Literatur

[1] Hesse, Manfred: Alkaloide - Fluch oder Segen der Natur. Wiley-VCH, Zürich 2000.

[2] Müller, Christa E.: Nicotin - Vom Genußmittel zum Arzneistoff? Deutsche Apotheker Zeitung, Nr. 36, 1995, S. 17-31.

[3] Hiller, Karl & Melzig, Matthias F.: Die große Enzyklopädie der Arzneipflanzen und Drogen. area Verlag, Erfstadt, 2006.

[4] Rätsch, Christian: Enzyklopädie der psychoaktiven Pflanzen. AT-Verlag, Aarau, 2. Auflage, 1998.

[5] Wollrab, Adalbert: Organische Chemie - Eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. Springer-Verlag. Heidelberg, 2. Auflage, 2002.

[6] K. Mothes; H. R. Schütte; M. Luckner: Biochemistry of Alkaloids. VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1. Auflage, 1985.

[7] Campbell; Reece: Biologie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 6. Auflage," valign="top" width="658"> Hans Knodel: Linder Biologie. Schroeder Verlag, Hannover, 21. Auflage, 1998, S. 185.

[8] Quelle fehlt

[9] http://de.wikipedia.org/wiki/Alkaloide 22.05.09

[10] http://www.pflanzen-portal.com/giftpflanzen.php 22.05.09

[11] http://www.informationen-zu-schmerzen.de/patienten/opioidstory/opium.htm 22.05.09

[12] http://www.welt.de/wissenschaft/article957765/Giftiger_am_giftigsten.html 30.05.09 (35 weitere Quellen)

[13] http://www.naturaloil.de/en/images/jatrophaamstrauch180.jpg (16.02.15; Urheber: http://www.naturaloil.de)

[14] http://www.heilpraktik.de/heilpflanzen/chinarinde.htm 04.07.09

[15] http://www.gesundheit.de/heilpflanzen-lexikon/index.html?c=http:// www.gesundheit.de/heilpflanzen-lexikon/schlafmohn/schlafmohn_bilder.shtml 04.07.09

[16] http://www.ua-bw.de/uploadimg/cvuaka/mohnkapseln.gif 15.02.2016; 34 weitere Quellen

[17] Quelle fehlt

[18] http://stopthedrugwar.org/files/jalalabad-opium.jpg (15.02.2016; Lizenz: CC 3.0, Autor: Phil Smith)

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Didaktik der Chemie

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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 13.05.16