Metabolit sekunder

METABOLIT SEKUNDER

Agustina Setiawati, M.Sc., Apt

Referensi Paul M. Dewick, 2002, Medicinal Natural Product A Biosynthetic

Approach, 2nd Ed., John Wiley and Sons, Ltd. Cannel R.J.P., 1998. How to Approach the Isolation of a Natural

Product. Natural Products Isolation, Totowa: Humana Press. Mann, J., et al., 1994, Natural Products: Their Chemistry and Biological

Significance, Longman, UK Samuelsson, G., 1999, Drugs of Natural Origin-A Textbook of

Pharmacognosy, 4th revised Ed., Apotekarsocieteten, Sweden Bruneton, J., 1999, Pharmacognosy Phytochemistry Medicinal

Chemistry, 2nd Ed., translated by Halton, C.K., Intercept Ltd., New York Hänsel, R., Sticher, O. (Eds.), 2007, Pharmakognosie-Phytopharmazie,

8th Ed., Springer Jurnal-jurnal terkait

Kenapa kita mempelajari alkaloid?

Efek farmakologis Alkaloid

1. Analgesik dan narkotik: morfin dan kodein

2. Stimulansia sentral: kofein

3. Anti asma: efedrin

4. Antihipertensi: reserpin

5. Relaksan otot halus: atropin dan papaverin

6. Relaksan otot skeletal: tubocurarin

7. dll

AlkaloidDefinisi:

Alkaloid: „Alkali-like“• Senyawa (basa) organik yang mengandung atom N yang

berasal dari asam amino (dan memiliki aktivitas farmakologis dalam kadar rendah)

• Pelletier, 1983: ....is a cyclic organic compound containing nitrogen in a negative oxidation state which is of limited distribution among living organisms

Klasifikasi alkaloid True-alkaloid:

Berasal dari asam amino Bersifat basa Atom N ada pada cincin heterosiklis Terdapat dalam bentuk garam dengan

asam organik Contoh: atropin, morfin

Pseudoalkaloid:• Memiliki karakteristik seperti alkaloid tetapi tidak berasal dari asam amino,

misal alkaloid terpen (aconitin: akaloid diterpen) dan alkaloid dari jalur metabolisme asetat (coniin), sifat kebasaan rendah

Protoalkaloid:• Amin sederhana dimana atom nitrogennya bukan merupakan bagian dari

cincin heterosiklik, bersifat basa dan berasal dari asam amino, misal meskalin

O

ONH2

O

HN

O

N

O

O

O

HO

O

O O

OH

O

OH

Fakta mengenai alkaloid:

Tidak semua senyawa yang mengandung atom N adalah alkaloid, contoh: asam amino, piridin

Kebasaan alkaloid berbeda-beda bahkan ada yang bersifat amfoterik misal chepalin dan asam, misal: kolkhisin

NH

O

O

O

O

O

O

Keberadaan:

Umumnya terdapat dalam bentuk garamnya dengan asam organik atau anorganik atau dalam kombinasi dengan asam tertentu

Ada yang terdapat dalam bentuk glikosida, misal α-chaconin

N

Gula-O

H

Keberadaan:• Terdapat tidak di semua famili tumbuhan

• Monocotil: terbanyak di Liliaceae dan Amaryllidaceae• Dicotil: terbanyak di Apocynaceae, Papaveraceae, Fabaceae• Terdapat dalam jumlah sangat kecil (ppm) dalam Catharanthus

roseus sampai dengan 15% dalam kulit batang Cinchona ledgeriana

• Dapat ditemui pada bakteri, algae, fungi dan lichen• Contoh: pyocyanin dari P. aeruginosa; ergolin dari Claviceps

• Terdapat juga pada hewan: Bufo, salamander, arthropod

Umumnya merupakan campuran kompleks dari jalur biogenesis yang sama, yang didominasi salah satu konstituen

Kandungan alkaloid dapat bervariasi pada tiap tahap pertumbuhan tumbuhan

Dapat ditemui di semua bagian tanaman tetapi umumnya dominan di salah satu bagian, biasanya di kulit batang, daun dan buah.

Biasanya terdapat dalam jaringan perifer

Beberapa terdapat dalam sel atau jaringan khusus misal:• Alkaloid opium• Alkaloid tropan

Dalam sel individu biasanya terdapat dalam vakuola dan bukan pada protoplas atau dinding sel

Lokasi:• Bagian yang mengandung alkaloid dalam jumlah

dominan belum tentu menunjukkan tempat produksi misal: • Nikotin dalam Nicotiana tabacum disintesis di akar

dan ditranfer ke daun • Anabasin dalam Nicotiana tabacum dan N. rustea

dominan kedua di akar, tapi merupakan alkaloid dominan di dahan pada N. glauca

Fungsi bagi tanaman:• Rasa pahit: deterrent terhadap herbivora• Bagian dari pertahanan tubuh (fitoaleksin)• Kompetisi• Detoksifikasi (?)• Pirimidin nukleotida dan tetrapirol esensial bagi pertumbuhan

dan perkembangan tanaman• Atraktan: betalain terdapat pada bunga dan buah; beberapa

alkaloid pirolizidin meniru feromon kupu2• Akumulasi di biji, untuk cadangan N (?), kandungan alkaloid

mencapai puncaknya pada akhir masa vegetasi tanaman (masa berbunga dan pembentukan biji)

Sifat fisikokimiawi:

Bentuk basa tidak larut dalam air (larut dalam pelarut organik)

BM 100-900

Memiliki titik lebur yang tajam, tanpa dekomposisi, biasanya di bawah 200C

Alkaloid yang tidak mengandung oksigen dalam struktur kimianya biasanya pada suhu kamar bersifat cair (nikotin, koniin, spartein)

Alkaloid yang mengandung oksigen akan berbentuk kristal, umumnya kristal tidak berwarna, pada kasus tertentu berwarna (berberine), beberapa berupa amorph

Stabilitas

Pengaruh pemanasan sebagian besar terdekomposisi, beberapa tersublimasi, contoh: kafein

Pengaruh asamAsam kuat dalam keadaaan dingin/ asam lemahdengan pemanasan menyebabkan perubahan

struktur kimia

a. Dehidrasi: morfin mjd apomorfinb. N atau O-Demetilasi: kinin, kodein, papaverin,

narkotinc. Hidrolisis:

Ester: kokain, atropinGlikosidik: solanin: solanidin + ramnosa +

glukosa + galaktosa

Alkali: • Larutan alkali encer (NH4OH atau NaOH) membebaskan alkaloid

basa dari garamnya• Dapat membentuk garam dengan gugus COOH dari alkaloid, contoh

narcein

• Basa kuat (Na dan K) membentuk garam fenolat dengan alkaloid yang mengandung fenol seperti morfin, cephalin

Ester alkaloid mengalami hidrolisis dengan adanya pemanasan dalam suasana basa, contoh atropin dan kokain

Alkaloid dengan gugus lakton seperti pilokarpin mudah terdekomposisi dalam suasana basa

Pembentukan artefak:• DCM dan kloroform: alkaloid tersier mjd kuartener; reaksi

substitusi (berberin), pembentukan N-oksid (reserpin)• Amoniak: ester dan keton• NaOH: fenol menjd fenolat

O

O

O

Glucosyl-O N

O

O

Gentiopikrosid Gentianin

Larutan amoniak, RT

N

HON

R

N

HON

R

OEter yang mengandung peroksida

Alkaloid chinarin Derivat N-oksid

NH

O

O

O

O

O

O

NH

O

O

O

OH

H

OCH3

O

Sinar matahari (h > 300 nm)

Colchicin Beta-lumicolchicin

O

R

HN

N

OH

R

HN

N

O

R

HN

N

H+, OH-

H H

Asam Lisergat Asam isolisergat

Rasemisasi dengan adanya pengaruh asam-basa, misal hyosiamin menjadi atropin

Stereokimia:

Sebagian besar optik aktif (biasanya levorotatori), kecuali yang termasuk gugus purin

Biasanya, bentuk levo (-) lebih aktif daripada dekstro (+),sebagai contoh adalah (-)-efedrin yang 3,5 kali lebih aktif daripada isomer (+) nya, dan (-)-ergotamin 3-4 kali lebih aktif daripada (+)-isomer

Tubocurarin hanya aktif dalam bentuk d (+),

(-) kuinin dan (+)-kuinidin sama2 aktif, sementara (±) atropin aktif

Kebasaan

Tergantung pada keberadaan lone pair elektron dari atom N, tipe heterosiklis dan substitusinya

Electron withdrawing group yang dekat dengan atom N menurunkan kebasaan

Elektron donating group menaikkan kebasaan

Kebasaan

• Piridin, kuinolin dan isokuinolin: basa• Pirolidin merupakan basa kuat• Pirol dan indol, bersifat asam

N N

N

NH

NH

NHNH

Alkaloid basa biasanya terdapat di tanaman dalam bentuk garam dengan asam mineral seperti HCl, H2SO4, HNO3, atau asam organik seperti asam tartrat, sulfamat dan maleat, mekonat, isobutirat dan benzoat, atau dalam kombinasi dengan tanin

Alkaloid yang non basa adalah alkaloid amida, ammonium kuartener, laktam, N-oxid

Nomenklatur:• Suffix –in misal: emetin (emetik), hygrin (hygroskopisitas);

papaverin (papaver); pelletierin• Kinin-kinidin; hydrastin-hydrastinin• Nikotin-nornikotin• Pseudo-, iso-, neo-, epi-, allo- dll

Deteksi dan karakterisasiReaksi pengendapan

Reagen Kandungan Hasil

Dragendorff K[BiI4] oranye

Mayer K2[HgI4] Kuning-putih

Garam Reinecke (NH4Cr[CNS]4(NH3)2) Pink, mengambang

Scheiblers Wolframat-asam fosfat Kuning, amorph

Sonnenschein Molibdat-asam fosfat Kuning, lalu biru hijau

Larutan tanin 5% dalam air Kecoklatan

Hager Asam pikrat jenuh Kuning

Wagner I/KI Merah coklat

Pereaksi warna:

1. Erdman: asam sulfat dengan sesepora asam nitrat

2. Froehd: asam sulfat yang mengandung asam molibdat atau amonium molibdat

3. Marqui:asam sulfat mengandung formaldehid

4. Mandelin: asam sulfat yang mengandung asam vanadat atau amonium vanadat

Positif palsu dengan komponen seperti senyawa pahit dan glikosida

Pereaksi spesifik:

1. Alkaloid ergot: Erlich (Van-Urk): p-dimetilaminobenzaldehida dalam suasana asam memberi warna biru atau hijau-abu2

2. Alkaloid indol: Cerric ammonium sulfat (CAS) dalam suasana asam

3. Alkaloid tropan: Vitali-Morin (ungu)

4. Alkaloid kina: Thaleoquine

5. Alkaloid purin: reaksi mureksid

6. Alkaloid morphin: Marquis

KLT:• Silika gel, aluminium oksida, kieselgur, selulosa• Pada basa kuat, silikagel yang bersifat asam lemah dapat

mengikat alkaloid (pada fase gerak netral)

• TLC: UV, Dragendorff (+NaNO2)

• Alkaloid dengan amina primer dan sekunder negatif palsu• Kumarin, hidroksiflavon, triterpen dan kardenolida ttt

positif palsu• Alkaloid purin: mureksid (Kalium perklorat + setetes HCl,

diuapkan, ditambah amoniak = ungu)

• Alkaloid morphin: reagen Marquis (H2SO4 + setetes formaldehida = ungu)

Isolasi Alkaloid• Ekstraksi dengan pelarut organik yang tidak campur air: kloroform,

eter, metilen klorida dan toluen, dilakukan dengan perkolasi atau sokhletasi, dengan penambahan basa yang sesuai• Alkaloid kuartener dan N oksid larut dalam air

• Ekstraksi dengan pelarut organik yang dapat campur dengan air seperti etanol dan metanol• Dapat melarutkan alkaloid basa dan garam

• Ekstraksi dengan terlebih dulu dilakukan pengasaman• Pengendapan alkaloid dengan reagen pengendap alkaloid• Penggunaan kation exchange resin

Material

PEFraksi PELemak dan lilin

Fraksi etanol atau metanol airdipekatkan

Kloroform dan asam tartrat

Fraksi kloroform atau EtOAcAlkaloid netral dan basa lemah

Fraksi asamPenambahan basaKloroform atau EtOAc

Fraksi kloroform atau EtOAc

Alkaloid primer, sekunder dan tersier

Fraksi basa

Alkaloid kuartener dan N-oksid

Isolasi Alkaloid• Basa kuat dibutuhkan untuk membebaskan garam alkaloid basa kuat

dengan asam mineral kuat• Alkaloid ester dan lakton membutuhkan basa lemah (Natrium

bikarbonat atau natrium karbonat) untuk menghindari hidrolisis

• Alkaloid fenolik: NH4OH

• Jika terdapat komponen yang berlemak, penggunaan basa kuat dihindari karena dapat menimbulkan penyabunan

• NH4OH: disukai karena dapat membebaskan sebagian besar garam alkaloid, dan mudah menguap

• CaOH digunakan untuk alkaloid opium• Garam alkaloid dengan asam tanat, diasamkan dulu dengan HCl

encer dan kemudian dibasakan

Analisis kuantitatif Alkaloid

1. Volumetri: berdasarkan sifat kebasaan alkaloid

2. Gravimetri: menimbang residu alkaloid

3. Spektrofotometri: dengan penambahan pereaksi warna

4. Fluorimetri: kinin dan kinidin

5. Polarimetri: optical activity

6. Kromatografi: KLT, KG, HPLC

Penggolongan berdasarkan biogenesisnya:

A. Alkaloid heterosiklis yang berasal dari asam amino:

1. Ornithin

2. Lisin

3. Tirosin

4. Fenilalanin

5. Triptofan

6. Asam antranilat

7. Histidin

B. Alkaloid heterosiklis yang berasal dari nukleotid purin

C. Alkaloid yang terbentuk melalui transaminasi: terpenoid alkaloid

D. Alkaloid yang terbentuk melalui transaminasi dimana N atom terletak pada eksosiklis

Atropa belladonaHerba: 0,3 – 0,6% alkaloid terdiri atas (-)-hyosiamin, (-)-hyosin

Akar: 0,4 – 0,8% alkaloid terdiri atas (-)-hiosiamin, (-)-hyosin, (-)-cuscohigrin

Datura stramonium

Datura metel

Mandragora officinarum Duboisia myoporoides

Scopolia carniolica

Alkaloid tropan

Hiosiamin:

Antispasmodik (g.i), midriatik, antisekretori (saliva), antidot pada inhibitor asetilkolinesterase (fisostigmin, neostigmin, organofosfat)

Hiosin (skopolamin): depresant CNS, anti motion-sickness

Erythroxylum coca

Kandungan alkaloid: 0,7-2,5% (40-50% adalah (-)-Kokain

Mekanisme aksi cocain:

Cocain memodifikasi aksi dopamin di otak. Cocain berikatan dengan dopamin reuptake-transporter pada presinaptik membran pada dopaminergik neuron. Ikatan ini menghambat pelepasan dopamin dari celah sinaptik dan degradasi dengan MAO di terminal saraf. Dopamin tetap berada di celah sinaptik sehingga bebas berikatan dengan reseptornya di post sinaptik membran, menghasilkan impuls saraf lebih lanjut. Peningkatan aktivias jalur dopaminergik reward menyebabkan perasaan euforia ‚high‘

Efek anastetik lokal cocain:

Cocain secara fisik memblokir sodium channel melalui 2 mekanisme: jalur hidrofobik dan jalur hidrofilik. Blokade mencegah voltage-dependent Na+ conductance, sehingga memblok saraf secara lokal

Gugus fungsional: aromatik ester karboksil dan amino basis yang dipisahkan oleh rantai lipofilik

Alkaloid Pirolizidin

Symphytum officinale

Piper nigrum

Alkaloid yang berasal dari asam nikotinat

Alkaloid piridin

Nicotiana tabacum

0,6-9% (-)-nikotin selain anabasin dan nornikotin

Di daun berada dalam bentuk garam dengan asam sitrat atau malat

Nikotin dalam kadar rendah: stimulant pernafasan, dalam kadar tinggi depressant pernafasan

Nikotin digunakan sebagai insektisida dan untuk menghentikan kebiasaan merokok

Alkaloid yang berasal tirosin

Alkaloid fenil etil amin

H2N

OHOHOtyrosine

Alkaloid Feniletil isokuinolin

Katekolamin:Neurotansmiter

Alkaloid fenil etil amin

Chondrodendron tomentosum

Alkaloid Benziltetrahidroisokuinolin

Alkaloid Benziltetrahidroisokuinolin yang termodifikasi

Papaver somniferum

• Opium• Laudanum• Papaveretum: campuran garam HCl• Opioid

Heroin memodifikasi aksi dopamin di Brain‘s reward pathway. Ketika melalui BBB, heroin diubah menjadi morfin yang berfungsi sebagai agonis lemah pada delta dan kappa suptipe opioid reseptor dan agonis kuat pada mu subtipe reseptor. Pengikatan ini menghambat pelepasan GABA dari terminal saraf, menurunkan efek inhibisi GABA terhadap neuron dopaminergik. Hal tersebut meningkatkan aktivitas neuron dopaminergik dan pelepasan dopamin ke celah sinaptik mengakibatkan aktivasi membran post sinaptik. Aktivasi terus menerus jalur dopaminergik reward menyebabkan euforia ‚high‘

Papaver bracteatum

Alkaloid Feniletilisokuinolin

Colchicum autumnale

Penggunaan: gout (sebagai antiinflamasi)

Efek: antimitotik (poliploidi untuk mendapat tanaman varietas baru akibat multiplikasi kromosomdi nukleus tanpa diikuti pembelahan sel)

Cephaelis ipecacuanha

Alkaloid terpenoid tetrahidroisokuinolin

Efek: antiamuba, emetik, ekspektoran, inhibitor sintesis protein (tahap translokasi)

O-methypsychotrine: efek inhibisi sintesis protein kecil tapi menghambat HIV-reverse transcriptase

Alkaloid yang berasal dari triptofan

Alkaloid terpen indol

5-Hidroxytryptamine (Serotonin)

HN

O

OHP

OHN

O

Psilosibin

(prodrug)

HN

OH

N

Psilosin

(aktif)

Asam atau fosfatase

Rauwolfia serpentina

Catharantus roseus

Strychnos nux-vomica

Cinchona ledgeriana

Alkaloid Kuinolin

Camptotheca acuminata

Physostigma venenosum

Mekanisme aksi asetilkolinesterase:

Transmisi saraf cholinergik diakhiri oleh enzim asetilcholinesterase (AchE). AchE ditemukan baik di post sinaptik membran dari sinaptik cholinergik dan jaringan lain seperti sel darah merah. Ach berikatan dengan AchE dan dihidrolisis menjadi asetat dan choline. Akibatnya Ach tidak aktif dan impuls saraf terhambat. AchE inhibitor mencegah hidrolisis Ach, sehingga meningkatkan konsentrasi Ach di celah sinaptik; AchE inhibitor digunakan dalam terapi Alzheimer

Alkaloid yang berasal dari Histidin

Alkaloid imidazole

Pilocarpus jaborandi

Alkaloid yang berasal dari fenilalanin

Ephedra sp.

Alkaloid purin

Alkaloid yang berasal dari reaksi transaminasi

Derivat asetat

Conium maculatum

Pseudoalkaloid

Alkaloid steroidal