Nikotin en alkaloid från växten Nicotiana tabacum.

Transkript

1 ikotin en alkaloid från växten icotiana tabacum. C 3 Av: Martin Larsson, apotekarprogrammet Termin7 Kurs: Farmakognosi ht p. På: Göteborgs Universitet Kursen ges av: Uppsala Universitet Institutionen för läkemedelskemi Avdelningen för farmakognosi ikotin Litteraturarbete av Martin Larsson

2 Sammanfattning Tobak är idag och har varit den bland människor kanske mest (miss)brukade drogen överhuvudtaget. Den aktiva substansen i tobak är nikotin, en alkaloid med många intressanta kemiska och farmakologiska egenskaper, därav ämnesvalet. Tobak framställs huvudsakligen från bladen av nicotiana tabacum L. och närbesläktade växter som har sitt ursprung i Amerika. Syntesen av nikotin sker i dessa växter framför allt i rötterna med aminosyror som prekursorer varpå nikotinet transporteras till bladen 1. ikotin är mycket kraftigt beroendeframkallande och det långvariga bruket av framförallt cigaretter är associerat med ökad dödlighet i fr.a. cancer och hjärtkärlsjukdomar. Beroendet hänger samman med nikotinmolekylens snabba passage och distribution i vävnader, fr.a. i centrala nervsystemet där den via presynaptiska receptorer ökar frisättningen av neurotransmittorer, t.ex. dopamin 2. Eftersom tobak har så många skadliga effekter och beroendet är så svårt att ta sig ur har det utvecklats nikotinersättningningsmedel som ofarligare alternativ till cigaretter. Dessa har visat sig vara mycket kommersiellt gångbara och nikotinet finns här idag i en mängd olika beredningsformer 1. istorik Bruket av tobak går långt tillbaka i tiden och Mayaindianerna i Mexico var troligen bland de första som rökte tobak. Bruket spred sig därifrån till många andra indiankulturer över stora delar av den amerikanska kontinenten. Européerna stiftade sin första bekantskap med tobaksbruk redan vid Columbus första resa till Amerika 1492 i samband med att hans expedition landsteg på det vi idag kallar Cuba. På 1500-talet blev Portugal det första land där tobak odlades utanför Amerika. Den franske ambassadören i Portugal, Jean icot, tog med sig tobak från Lissabon till hemlandet och substansen nikotin fick så småningom bära hans efternamn. Tobaksbruket spred sig sedan under de kommande århundradena successivt över Europa och övriga världen. Svenskarna började röka tobak omkring Cigaretter började massproduceras först 1843 i frankrike och fram till 1950-talet ökade antalet rökare kraftigt tills deras antal översteg hälften av den vuxna befolkningen. Då fick de första rapporterna om sambanden mellan rökning och cancer genomslag och sedan dess har antirökkampanjerna avlöst varandra och antalet rökare successivt minskat 3. Bruket är dock fortfarande mycket utbrett liksom skadeverkningarna. Fortfarande kan ungefär vart 10:e dödsfall i Sverige relateras till tobaksbruk 4. Tobaksplantan Drogen tobak (nicotianae folium) görs vanligen från bladen på icotiana tabacum L. (Virginiatobak) eller närbesläktade arter som. Rustica L. (Bondtobak). Släktet icotiana ingår i familjen Solanaceae (Potatisväxter) 1. Virginiatobaken härstammar troligen från Sydamerika och namnet har den fått för att Virginia var det ställe där man gjorde de första kommersiellt lyckade odlingarna. Den är en ettårig ört som är körtelhårig och kan bli upp mot två meter hög. I augusti-september pryds den av röda blommor 5 ikotin Litteraturarbete av Martin Larsson

3 Tobak prepareras vanligen genom långsamt torkning av bladen följt av fermentering. Detta ger tobaken sin rätta arom och bruna färg. Kvalitén på tobaken beror både av plantans botaniska ursprung och på vilket sätt man har utfört torkning och fermentering. ikotinhalten i olika stammar av tobaksplantan varierar stort (0,05 9 %) och röktobak görs med fördel från stammar med något lägre nikotininnehåll. ikotinet i plantan bildas främst i rötterna men även i stammen varpå transport till bladen sker där nikotinet lagras. I många fall är det oklart exakt varför en växt bildar en viss sekundärmetabolit, t.ex. en alkaloid. ikotin är mycket giftigt (dödlig dos i människa är mg) och även insekter är känsliga för dess toxiska effekter. Av detta skäl har nikotinet troligen en funktion i att hålla borta insekter och herbivorer från plantan. ikotin och derivat av nikotin har i och med detta fått en ytterligare användning för människan förutom som drog, nämligen som insektsdödande medel i jorbruk 1 ikotin kemiska egenskaper ikotin har en smältpunkt på 7.9 C och en kokpunkt på 247 C och är i rumstemperatur en olja som blir gulbrunaktig vid kontakt med luft 6 ikotinmolekylen består av en pyridinring som är kopplad i 3-position till en - metylerad pyrrolidinring 1 (fig. 1) Molekylen har ett stereogent center där (S)-formen dominerar 6 De två kväveatomerna är basiska men deras ammoniumjoner har skilda pka-värden. Kvävet i pyridinringen har sitt fria elektronpar i sp 2 -orbitaler. De hålls därför närmare kärnan och är mindre tillgängliga för protonering 7 och pyridin kvävet får ett pka på ca 3, medan pyrrolidinkvävets pka ligger på ca 8. (S) pka=3 C 3 pka=8 Figur 1: ikotinmolekylens struktur och ungefärliga pka-värden. ikotinets joniseringsegenskaper har betydelse för dess absorbtion och distribution i biologiska vävnader. Vid låga p är den dubbelt joniserad och har dålig absorbtion och vid höga p är den mestadels ojoniserad och har hög absorbtion. Av detta skäl buffrar man ofta nikotintuggummi med bikarbonat för att förbättra absorptionen genom munslemhinnan 8 De olika joniseringsgraderna och de olika lösligheterna i vatten respektive organiska lösningsmedel vid olika p utnyttjas också vid isolering och detektering av nikotin och andra alkaloider ur växtmaterial 1 ikotin Litteraturarbete av Martin Larsson

4 Biosyntes Pyridinringen Pyridinringen i nikotin kommer från nikotinsyra som i sin tur bildas från 3- fosfoglyceraldehyd och asparaginsyra. 3-fosfoglyceraldehyd är en intermediär efter 3 reaktioner i fotosyntesens mörka reaktioner. Dessa reaktioner startar med att 6st. 1,5-Difosforibulos (5 kol) reagerar med 6 koldioxidmolekyler och bildar 12st 3- fosfoglycersyra (3 kol). De 12st 3-fosfoglycersyramolekylerna blir sedan ytterligare fosforylerade av 12 ATP till 12 st 1,3-difosfoglycersyra som sedan blir reducerade av 12st ADP till 12st 3-fosfoglyceraldehyd. Glutaminsyra är en viktig substans i växters aminsyrasyntes och den bildas i en reaktion mellan α-ketoglutarat, som är ett mellansteg i citronsyracykeln, och ammoniak. Asparaginsyra bildas liksom många andra aminosyror i en transamineringsreaktion. I detta fallet donerar glutaminsyra en kvävegrupp till oxalättiksyra (figur 2). C 2 + C Aspartat-Glutamat Transaminas C + C 2 Glutaminsyra xalättiksyra Alfaketoglutarat Asparaginsyra Figur 2: Syntes av asparaginsyra. 3-fosfoglyceraldehyd reagerar sedan med asparaginsyra i en sekvens som leder fram till nikotinsyra som har den aromatiska pyridinringen i nikotin(figur 3). P fosfoglyceraldehyd 2 Asparaginsyra Kinolinsyra C 2 ikotinsyra Figur 3: Syntes av nikotinsyra. Pyrrolidinringen Den 5-ledade pyrrolidinringen i nikotin kommer från ornitin (figur 4), som är en aminosyra som vanligtvis inte byggs in i proteiner men som spelar en roll vid alkaloidsyntes och vid syntesen av arginin. Biosyntesen av ornitin sker i 5 steg där glutaminsyra är både startmaterial och donator av den andra kvävegruppen. ikotin Litteraturarbete av Martin Larsson

5 2 Figur 4: rnitin rnitin omvandlas sedan i 4 följande steg nämligen 1.dekarboxylering, 2.metylering med metionin, 3.oxidativ deaminering och 4.ringslutning till en -metylerad pyrroliniumkatjon (figur 5). Slutreaktioner Pyridinringen i nikotinsyran blir först reducerad av ADP till dihydronikotinsyra. Därefter avlägsnas karboxylgruppen i en dekarboxyleringsreaktion. Resultatet blir 1,2-dihydropyridin som reagerar med -metyl-pyrroliniumkatjonen till en produkt som oxideras av ADP + till nikotin 1 Alla dessa steg ses i figur 5. Methionin 2 2 Dekarboxylering Metylering C 3 rnithin Putrescin -metylputrescin xidativ deaminering ikotinsyra ADP Reduktion C3 -metyl-gamma-aminobutanal Ringslutning Dihydronikotinsyra Dekarboxylering C 2 1,2-Dihydropyridin + C 3 -metyl-pyrrolinkatjon ADP + xidation C 3 ikotin Figur 5: Biosyntesvägen från ornitin och nikotinsyra till nikotin ikotin Litteraturarbete av Martin Larsson

6 ikotinets farmakologi ikotinreceptorn är en ligandstyrd jonkanal som medierar snabb transmission i ganglier i autonoma nervsystemet, motorändplattor på muskler och i centrala nervsystemet. Den naturliga liganden för nikotinreceptorn är acetylkolin, som även aktiverar sk. muskarina acetylkolinreceptorer. är nikotin binder till sin receptor sker först en aktivering och en snabb excitatorisk postsynaptisk potential (EPSP) ses. Vid upprepad stimulering, t.ex. vid stora nikotindoser sker dock det motsatta, dvs. en inhibitorisk postsynaptisk potential (IPSP) utvecklas och nerven paralyseras. Vid toxiska överdoser med nikotin kan man således få en paralysering av muskulatur. Vid långvarig nikotinexponering blir receptorerna desensitiserade och detta tror man ligger bakom den ökning av antalet nikotinreceptorer man ser efter långvarig exponering. I det perifera autonoma nervsystemet finns nikotinreceptorerna som nämnts i ganglierna, där nervimpulserna omkopplas. Detta gäller för både den sympatiska och den parasympatiska delen av detta nervsystem, som i många fall har rakt motsatt effekt på sina målorgan. Det ovan nämnda är delvis förklaringen till de ofta komplexa och oförutsägbara farmakologiska effekter man ser av nikotintillförsel. ikotin kan t.ex. öka hjärtats puls genom stimulering i sympatiska ganglier eller via paralysering i parasympatiska ganglier, samtidigt som det kan minska hjärtats puls om omvända förhållanden gäller. I mycket höga doser (>50mg) är dock den dominerande effekten av nikotin paralysering av nerver och då ses t.ex. skelettmuskelförlamning. ikotin har som nämnts en något tvetydig farmakologiska natur men nedan presenteras ett antal tydliga fysiologiska nettoeffekter som brukar ses vid nikotintillförsel. Perifera nervsystemet Initialt ses en övergående stimulering av autonoma ganglier följt av en varaktig depression av aktivitet. Som exempel kan nämnas binjuremärgen vars adrenalinfrisättning först stimuleras för att sedan hämmas. Centrala ervsystemet: ikotin i låga doser ger en markerad stimulering av CS. Man ser en svag analgetisk effekt samt en stimulering av respiration. järnans så kallade belöningssystem blir också aktiverat då nikotin verkar kunna bidra till frisättning av excitatoriska aminosyror och aminer, fr.a. dopamin. Denna effekt samt nikotinets snabba passage in i kroppen i CS ligger troligen bakom nikotinets kraftiga beroendeframkallande verkan. Intressant är också acetylkolinet- (och nikotins) inblandning i kognitiva funktioner i prefrontala cortex. Dessa funktioner går förlorade vid Alzheimers sjukdom och det finns indikationer på att nikotin skulle kunna ha en positiv effekt här även för ordinära nikotinanvändare, t.ex. i att öka koncentrations och inlärningsförmåga. Detta är dock ännu långt ifrån klarlagt. ikotin inducerar också illamående och kräkresponser via påverkan på chemotriggerzonenen i medulla oblongata. öga doser nikotin minskar aktiviteten i CS och leder till döden genom att andningsreflexen hämmas samtidigt som andningsmuskulaturen perifert blir blockerad. ikotin Litteraturarbete av Martin Larsson

7 Kardiovaskulära systemet: ettoeffekten blir ökad puls och höjt blodtryck. Det sistnämnda är oftast en mer varaktig respons. rsaken är stimulering av sympatiska nervsystemet och binjuremärgen samt aktivering av chemoreceptorer i aorta och carotis som ger en reflexmässig vasokonstriktion, takykardi och blodtrycksökning. Gastrointestinalkanalen: ettoeffekten är ökad tonus och aktivitet i muskulatur. Även här finns ett bidrag till den illamåendeskapande effekten. Exokrina körtlar ikotin ger en initial stimulering av saliv- och bronkiala körtlar som sedan följs av inhibition. Till alla dessa farmakologiska effekter som nikotin själv står för måste läggas alla de ytterligare ämnen som t.ex. cigarettrökaren får i sig. Det stora problemet med cancer (fr.a. lungcancer) hos rökare orsakas inte av nikotin (som många fortfarande faktiskt tror) utan av något av de många andra ämnena i tobak med cancerogena effekter. Ett annat stort problem som nikotin troligen inte står för är kroniskt obstruktiv lungsjukdom (KL) som många äldre rökare drabbas av 2 Farmakofor ikotinets mål i kroppen är som nämnts nikotinreceptorn vars naturliga ligand är acetylkolin. För både nikotin- och muskarinreceptorn finns klarlagda struktur-effekt samband, både när det gäller receptorstimulering och inhibering. För att en substans ska ha en stimulerande (kolinerg) effekt krävs att den har ett positivt laddat centrum (kvartärt kväve hos acetylkolin) samt en vätebindningsacceptor (estersyre hos acetylkolin) på ett visst avstånd ifrån varandra. För att specifikt aktivera nikotinreceptorn skall dessa båda centra i molekylen vara separerade med ett avstånd på 5,9 Å. För aktivering av muskarinreceptorn gäller avståndet 4,3 4,4 Å. Acetylkolinmolekylen är flexibel och kan ta upp båda dessa konformationer medans selektiva agonister som nikotin är mer rigida och bara passar i en av receptortyperna 9. I figur 6 ses en jämförelse mellan nikotin och acetylkolin samt vilka strukturer som är viktiga för nikotinreceptorbindning. ikotin Litteraturarbete av Martin Larsson

8 + ikotin Vätebindningsacceptor I ,9Å I Positivt laddat centrum + Acetylkolin Figur 6: ikotin i jämförelse med acetylkolin och viktiga strukturelement för bindning till nikotinreceptorn. Absorbtion, distribution och exkretion ikotin absorberas lätt genom membran i andningsvägarna och i näs- och munslemhinnan. ikotin är även en av de få substanser som relativt lätt passerar huden. Skulle därför en icke-nikotinist hålla nere fingret i en nikotinlösning skulle vederbörande snart känna sig snurrig och illamående. ikotinersättningsmedel säljs till största delen i beredningsformer avsedda för de ovan nämnda applikationsställena, t.ex. tuggummi, sugtablett, resoriblett och inhalator (oralt), plåster (topikalt) och nässpray (nasalt). Absorbtionen i magsäcken är låg pga. jonisering men är något bättre i tunntarmen. En cigarrett tillför 1-3mg nikotin relativt snabbt till rökaren medans svenskt blötsnus avger ca 5mg under en timma % av tillfört nikotin förändras i kroppen, mestadels i levern och huvudmetabolit är karbonylföreningen cotinin (se fig. 7). ikotin elimineras snabbt av njurarna och halveringstiden ligger på ca 2 timmar 2. Figur 7: Cotinin, nikotinets huvudmetabolit i kroppen. ikotin Litteraturarbete av Martin Larsson

9 Referenser 1. Samuelsson, G. Drugs of atural rigin A textbook of Pharmacognosy 4 th edition. Apotekarsocieteten, Stockholm (1999) 2. ardman, J.G., Limbird, L., Goodman & Gilmans The Pharmacological Basis f Therapeutics. Tenth edition. McGraw-ill (2001) 3. Leavey, J. Utdrag ur: The FREST Guide to Smoking in Scotland. Quiller Press (1998) 4. Gilljam,., vhed, I. Beroendetillsånd, niktotinberoende. I Läkemedelsboken, Apoteket AB (2001/2002) pp Anderberg, A. Den virtuella floran virginiatobak. aturhistoriska riksmuséet (2000) 6. Chemfinder.com. Cambridgesoft Corporation (2003) 7. McMurry, J. rganic Chemistry fifth edition. Brooks/Cole (1999) 8. Eriksson, U., Gustafsson, L., Lövgren, S., Persson, E. Rökavvänjningens galenik fördjupningsarbete i galenisk farmaci. Apotekarprogrammet t Patrick, G.L., An introduction to Medicinal Chemistry 2 nd edition. xford University Press (2001) ikotin Litteraturarbete av Martin Larsson