알칼로이드

1. 개요

알칼로이드는 질소를 포함하는 염기성 유기 화합물로, 주로 식물에서 발견되며 다양한 생물학적 활성을 나타낸다. 1819년 독일의 약제사 카를 프리드리히 빌헬름 마이스너에 의해 처음 명명되었으며, 라틴어 'alkali'(식물 재)와 그리스어 접미사 'eidos'(~와 같은)에서 유래되었다. 알칼로이드는 구조에 따라 진정 알칼로이드, 원시 알칼로이드, 유사 알칼로이드 등으로 분류되며, 아미노산이 생합성 전구체로 작용한다.

알칼로이드 함유 식물은 고대부터 약용, 기분 전환, 종교 의식 등에 사용되었으며, 19세기에는 모르핀, 퀴닌, 스트리키니네 등 주요 알칼로이드가 발견되었다. 알칼로이드는 식물의 방어 기작으로 작용하며, 일부 동물은 이를 해독하거나 이용하기도 한다.

의학 분야에서 알칼로이드는 진통, 항부정맥, 항암 등의 효과를 나타내며, 농업에서는 살충제로 사용되기도 했다. 또한 코카인, 카페인, 메스칼린 등은 향정신성 물질로 사용되기도 한다.

2. 명칭

"알칼로이드"(독일어: Alkaloide^독일어)라는 명칭은 1819년 독일의 약제사이자 화학자인 카를 프리드리히 빌헬름 마이스너(Carl Friedrich Wilhelm Meissner)가 처음 사용했다. 이 용어는 라틴어 어근 alkali^라틴어와 그리스어 접미사 -οειδής^{고대 그리스어}("-와 같은"이라는 의미)에서 유래했다. 라틴어 'alkali'는 "식물의 재"를 뜻하는 아랍어 al qualja^아랍어에서 왔다. 과거에는 식물염기(Plant base)라는 명칭도 사용되었다. "알칼로이드"라는 용어는 처음에는 널리 사용되지 않다가, 1880년대 알베르트 라덴부르크(Albert Ladenburg)의 화학 용어 사전에 오스카 야코브센(Oscar Jacobsen)이 관련 내용을 발표하면서 널리 쓰이기 시작했다.

개별 알칼로이드를 명명하는 통일된 규칙은 없다. 많은 경우, 알칼로이드가 처음 분리된 식물의 속명이나 종명에 접미사 "-ine"을 붙여 이름을 짓는다. 예를 들어, 벨라돈나풀(학명: Atropa belladonna)에서 추출하는 아트로핀(atropine)은 속명 Atropa에서 유래했고, 마전(학명: Strychnos nux-vomica L.)의 씨앗에서 얻는 스트리키니네(strychnine)는 속명 Strychnos에서 따왔다.

한 식물에서 여러 종류의 알칼로이드가 발견될 경우, 이름 구분을 위해 "-idine", "-anine", "-aline", "-inine" 등의 다른 접미사를 사용하기도 한다. 또한, 특정 식물군에서 유래했음을 나타내는 어근을 사용하기도 하는데, 예를 들어 빈카속(Vinca) 식물(예: 카타란투스 로제우스)에서 유래한 알칼로이드는 이름에 "vin-"이라는 어근을 포함하는 경우가 많으며, 이런 알칼로이드는 86종 이상 알려져 있다. 이들을 통칭하여 빈카 알칼로이드라고 부른다.

3. 역사

알칼로이드를 함유한 식물은 고대부터 치료용이나 기분 전환용, 혹은 종교 의식 등 다양한 목적으로 사용되었다. 기원전 2000년경 메소포타미아에서는 이미 약용 식물에 대한 지식이 있었으며, 호메로스의 《오디세이아》에는 이집트 여왕이 헬레네에게 '망각을 부르는 약'을 선물했다는 이야기가 나오는데, 이는 아편이 포함된 약물로 추정된다. 기원후 1~3세기 중국의 본초학 서적인 《신농본초경》에는 마황과 양귀비의 의학적 효능이 언급되어 있으며, 코카나무 잎 역시 고대부터 남아메리카 원주민들이 사용해 왔다.

한편, 아코니틴이나 튜보쿠라린과 같이 독성이 강한 알칼로이드를 함유한 식물 추출물은 고대부터 독화살의 화살촉에 바르는 독으로 사용되었다.

알칼로이드에 대한 과학적 연구는 19세기에 본격적으로 시작되었다. 1804년, 독일 화학자 프리드리히 제르튀르너(Friedrich Sertürner)는 아편에서 주요 활성 성분인 "잠의 근원"(principium somniferum^라틴어)을 성공적으로 분리해냈다. 그는 이 물질에 그리스 신화 속 꿈의 신 모르페우스의 이름을 따 "모르피움(morphium)"이라는 이름을 붙였는데, 이것이 오늘날 알려진 모르핀이다. 프랑스 물리학자 조제프 루이 게이뤼삭은 영어와 프랑스어권에서 사용되는 "모르핀(morphine)"이라는 명칭을 제안했다.

이후 프랑스 연구자 피에르 조제프 펠티에와 조제프 비앵네메 카방투가 퀴닌(1820년)과 스트리키니네(1818년)를 발견하면서 초기 알칼로이드 화학 연구에 중요한 기여를 했다. 이 시기를 전후하여 크산틴(1817년), 아트로핀(1819년), 카페인(1820년), 코닌(1827년), 니코틴(1828년), 콜히친(1833년), 스파르테인(1851년), 코카인(1860년) 등 다양한 알칼로이드들이 연이어 발견되었다.

알칼로이드의 인공적인 합성은 1886년 독일 화학자 알베르트 라덴부르크(Albert Ladenburg)에 의해 처음으로 성공했다. 그는 2-메틸피리딘을 아세트알데히드와 반응시킨 후, 생성된 2-프로페닐피리딘을 나트륨으로 환원시켜 코닌을 합성하는 데 성공했다.

20세기에 들어 분광학과 크로마토그래피와 같은 분석 기술이 발전하면서 알칼로이드 화학 연구는 더욱 가속화되었다. 그 결과, 2008년까지 12,000종 이상의 다양한 알칼로이드가 확인되었다.

4. 분류

알칼로이드 분류에는 다음과 같은 주요 그룹도 포함된다.

* [[폴리아민]] 알칼로이드(Polyamine alkaloid): 푸트레신, 스퍼미딘, 스퍼민의 유도체.
* [[펩타이드]] 및 환상 [[펩타이드]] 알칼로이드
* 가알칼로이드(Pseudo-alkaloid): 질소원이 아미노산에 유래하는 것이 아니라, 암모니아성 질소에 유래하는 알칼로이드 유사 화합물이다. 이 분류군은 테르펜 유사 알칼로이드나 스테로이드 유사 알칼로이드, 카페인, 테오브로민, 테오필린과 같은 푸린 유사 알칼로이드를 포함한다. 일부 연구자는 에페드린이나 카티논과 같은 화합물을 가알칼로이드로 분류하고 있다. 이들은 아미노산인 페닐알라닌에 기원을 갖지만, 질소 원자는 아미노산에서가 아니라 아미노기 전이에 의해 얻고 있다.

일부 알칼로이드는 분류군에 전형적인 탄소 골격을 갖고 있지 않다. 예를 들어 갈란타민 및 호모아포르핀류는 이소퀴놀린 부분을 포함하고 있지 않지만, 일반적으로 이소퀴놀린 알칼로이드로 여겨진다.

단량체 알칼로이드의 주요 분류를 아래 표에 나타낸다.

{| class="wikitable"
|-
! 분류
! 주요 그룹
! 주요 합성 단계
! 예
|-
| colspan="4" style="text-align:center; background:#DADADA;" | 질소 복소환을 포함하는 알칼로이드 (진정 알칼로이드)
|-
| 피롤리딘 유도체

|
| 오르니틴 또는 아르기닌 → 푸트레신 → N-메틸푸트레신 → N-메틸-Δ¹-피롤린
| 쿠스코히그린, 히그린, 히그롤린, 스타키드린
|-
| rowspan="2" | 트로판 유도체

| 아트로핀류
3, 6, 7 위치에 치환
| rowspan="2" | 오르니틴 또는 아르기닌 → 푸트레신 → N-메틸푸트레신 → N-메틸-Δ¹-피롤린
| 아트로핀, 스코폴라민, 히오시아민
|-
| 코카인류
2 위치 및 3 위치에 치환
| 코카인, 엑고닌
|-
| rowspan="4" | 피롤리지딘 유도체

| 에스터가 아닌 것
| rowspan="3" | 식물: 오르니틴 또는 아르기닌 → 푸트레신 → 호모스퍼미딘 → 레트로네신
| 레트로네신, 헬리오트리딘, 라부르닌
|-
| 모노카르복실산 에스터
| 인디신, 린델로핀, 사라신
|-
| 대환상 디에스터
| 플라티필린, 트리코데스민
|-
| 1-아미노피롤리지딘류 (롤린)
| 균류: L-프롤린 + L-호모세린 → N-(3-아미노-3-카르복시프로필)프롤린 → 노르롤린
| 롤린, N-포르밀롤린, N-아세틸롤린
|-
| rowspan="2" | 피페리딘 유도체

|
| 리신 → 카다베린 → Δ¹-피페리딘
| 세다민, 로벨린, 아나페린, 피페린
|-
|
| 옥탄산 → 코니세인 → 코니인
| 코니인, 코니세인
|-
| rowspan="5" | 퀴놀리지딘 유도체

| 루피닌류
| rowspan="5" | 리신 → 카다베린 → Δ¹-피페리딘
| 루피닌, 누파리딘
|-
| 시티신류
| 시티신
|-
| 스파르테인류
| 스파르테인, 루파닌, 아나기린
|-
| 마트린류
| 마트린, 옥시마트린, 알로마트리딘
|-
| 오르모사닌류
| 오르모사닌, 핍탄틴
|-
| 인돌리지딘 유도체

|
| 리신 → α-아미노아디프산의 δ-세미알데히드 → 피페콜산 → 1-인돌리지디논
| 스와인소닌, 카스타노스퍼민
|-
| rowspan="4" | 피리딘 유도체

| 피리딘의 단순한 유도체
| rowspan="3" | 니코틴산 → 디히드로니코틴산 → 1,2-디히드로피리딘
| 트리고넬린, 리시닌, 아레콜린
|-
| 다환식 비축합 피리딘 유도체
| 니코틴, 노르니코틴, 아나바신, 아나타빈
|-
| 다환식 축합 피리딘 유도체
| 악티니딘, 겐티아닌, 페디쿨리닌
|-
| 세스키테르펜 피리딘 유도체
| 니코틴산, 이소류신
| 에보닌, 히포크라테인, 트립토닌
|-
| rowspan="26" | 이소퀴놀린 유도체 및 유연 알칼로이드

| 이소퀴놀린의 단순한 유도체
| rowspan="26" | 티로신 또는 페닐알라닌 → 도파민 또는 티라민(아마릴리스 알칼로이드의 경우)
| 살솔린, 로포세린
|-
| 1- 및 3-이소퀴놀린의 유도체
| N-메틸코리달린, 노르옥시히드라스티닌
|-
| 1- 및 4-페닐테트라하이드로이소퀴놀린의 유도체
| 크립토스틸린
|-
| 5-나프틸-이소퀴놀린의 유도체
| 안시스트로클라딘
|-
| 1- 및 2-벤질-이소퀴놀린의 유도체
| 파파베린, 라우다노신, 센다베린
|-
| 쿨라린류
| 쿨라린, 야고닌
|-
| 파빈류 및 이소파빈류
| 아르게모닌, 아무렌신
|-
| 벤조피롤로콜린류
| 크립토아우스톨린
|-
| 프로토베르베린류
| 베르베린, 카나딘, 오피오카르핀, 메캄브리딘, 코리달린
|-
| 프탈리드이소퀴놀린류
| 히드라스틴, 나르코틴(노스카핀)
|-
| 스피로벤질이소퀴놀린류
| 푸마리신
|-
| 토근 알칼로이드
| 에메틴, 프로토에메틴, 이페코사이드
|-
| 벤조페난트리딘류
| 산구이나린, 옥시니티딘, 코리놀록신
|-
| 아포르핀류
| 글라우신, 코리딘, 리리오데닌
|-
| 프로아포르핀류
| 프로누시페린, 글라지오빈
|-
| 호모아포르핀류
| 크레이시기닌, 멀티플로라민
|-
| 호모프로아포르핀류
| 불보코딘
|-
| 모르핀류
| 모르핀, 코데인, 테바인, 시노메닌
|-
| 호모모르핀류
| 크레이시기닌, 안드로심빈
|-
| 트로폴로이소퀴놀린류
| 이메루브린
|-
| 아조플루오란텐류
| 루페신, 이멜루테인
|-
| 아마릴리스 알칼로이드
| 리코린, 암벨린, 타제틴, 갈란타민, 몬타닌
|-
| 에리스리나 알칼로이드
| 에리소딘, 에리스로이딘
|-
| 페난트렌 유도체
| 아테로스페르미닌
|-
| 프로토핀류
| 프로토핀, 옥소무라민, 코리카비딘
|-
| 아리스토락탐
| 도리플라빈
|-
| 옥사졸 유도체

|
| 티로신 → 티라민
| 아눌로린, 할포르디놀, 텍살린, 텍사민
|-
| 이소옥사졸 유도체
--
|
|이보텐산 → 무시몰
|이보텐산, 무시몰
|-
| 티아졸 유도체

|
| 1-데옥시-D-자일룰로스 5-인산염 (DOXP), 티로신, 시스테인
| 노스토시클라미드, 티오스트렙톤
|-
| rowspan="3" | 퀴나졸린 유도체

| 3,4-디하이드로-4-퀴나졸론 유도체
| rowspan="3" | 안트라닐산 또는 페닐알라닌 또는 오르니틴
| 페브리푸진
|-
| 1,4-디하이드로-4-퀴나졸론 유도체
| 글리코린, 아보린, 글리코스미닌
|-
| 피롤리딘 및 피페리딘퀴나졸린 유도체
| 바지신(페가닌)
|-
| 아크리딘 유도체

|
| 안트라닐산
| 루타크리돈, 아크로니신
|-
| rowspan="4" | 퀴놀린 유도체

| 2-퀴놀론 및 4-퀴놀론의 퀴놀린 유도체의 단순한 유도체
| rowspan="3" | 안트라닐산 → 3-카르복시퀴놀린
| 쿠스파린, 에키놉신, 에보카르핀
|-
| 삼환성 테르페노이드
| 플린더신
|-
| 푸라노퀴놀린 유도체
| 딕탐닌, 파가린, 스킴미아닌
|-
| 퀴닌류
| 트립토판 → 트립타민 → 스트릭토시딘(세콜로가닌 포함) → 코리난테알 → 신코니논
| 퀴닌, 퀴니딘, 신코닌, 신코니딘
|-
| rowspan="10" | 인돌 유도체

| colspan="3" style="text-align:center;" | 비이소프렌 인돌 알칼로이드
|-
| 단순한 인돌 유도체
| rowspan="3" | 트립토판 → 트립타민 또는 5-히드록시트립토판
| 세로토닌, 실로시빈, 디메틸트립타민 (DMT), 부포테닌
|-
| β-카르볼린의 단순한 유도체
| 하르만, 하르민, 하르말린, 엘레아그닌
|-
| 피롤로인돌 알칼로이드
| 피소스티그민(에세린), 에테르아민, 피소베닌, 엡타스티그민
|-
| colspan="3" style="text-align:center;" | 세미테르페노이드 인돌 알칼로이드
|-
| 맥각 알칼로이드
| 트립토판 → 카노클라빈 → 아그로클라빈 → 엘리모클라빈 → 파스팔산 → 리세르그산
| 에르고타민, 에르고바신, 에르고신
|-
| colspan="3" style="text-align:center;" | 모노테르페노이드 인돌 알칼로이드
|-
| 코리난테형 알칼로이드
| rowspan="3" | 트립토판 → 트립타민 → 스트릭토시딘(세콜로가닌 포함)
| 아즈말리신, 사르파긴, 보바신, 아즈말린, 요힘빈, 레세르핀, 미트라기닌, 스트리크닌류(스트리크닌, 브루신, 아쿠아미신, 보미신)
|-
| 이보가형 알칼로이드
| 이보가민, 이보가인, 보아칸진
|-
| 아스피도스페르마형 알칼로이드
| 빈카민, 빈카 알칼로이드, 빈코틴, 아스피도스페르민
|-
| 이미다졸 유도체

|
| 히스티딘에서 직접
| 히스타민, 필로카르핀, 필로신, 스테벤신
|-
| 푸린 유도체

|
| 잔토신(퓨린 생합성에서 형성) → 7-메틸잔토신 → 7-메틸잔틴 → 테오브로민 → 카페인
| 카페인, 테오브로민, 테오필린, 삭시톡신, 에리타데닌
|-
| colspan="4" style="text-align:center; background:#DADADA;" | 측쇄에 질소를 갖는 알칼로이드 (원시 알칼로이드)
|-
| β-페닐에틸아민 유도체

|
| 티로신 또는 페닐알라닌 → 디옥시페닐알라닌 → 도파민 → 아드레날린 및 메스칼린 티로신 → 티라민 페닐알라닌 → 1-페닐프로판-1,2-디온 → 카티논 → 에페드린 및 슈도에페드린
| 티라민, 에페드린, 슈도에페드린, 메스칼린, 카티논, 카테콜아민 (아드레날린, 노르아드레날린, 도파민)
|-
| 콜히친 알칼로이드

|
| 티로신 또는 페닐알라닌 → 도파민 → 오텀날린 → 콜히친
| 콜히친, 콜카민
|-
| 무스카린

|
| 글루탐산 → 3-케토글루탐산 → 무스카린 (피루브산 포함)
| 무스카린, 알로무스카린, 에피무스카린, 에피알로무스카린
|-
| 벤질아민

|
| 페닐알라닌과 발린, 류신 또는 이소류신
| 캡사이신, 디하이드로캡사이신, 노르디하이드로캡사이신, 바닐릴아민
|-
| colspan="4" style="text-align:center; background:#DADADA;" | 폴리아민 알칼로이드
|-
| 푸트레신 유도체

|
| rowspan="3" | 오르니틴 → 푸트레신 → 스퍼미딘 → 스퍼민
| 파우신
|-
| 스퍼미딘 유도체

|
| 루나린, 코도노카르핀
|-
| 스퍼민 유도체

|
| 베르바스케닌, 아펠란드린
|-
| colspan="4" style="text-align:center; background:#DADADA;" | 펩타이드 (사이클로펩타이드) 알칼로이드
|-
| rowspan="2" | 13원 고리를 가진 펩타이드 알칼로이드

4.1. 주요 알칼로이드 종류

다른 많은 천연 화합물의 분류군과 비교하여, 알칼로이드는 큰 구조적 다양성을 가지는 것이 특징이며, 알칼로이드에 관한 통일적인 분류는 존재하지 않는다. 최초의 분류법은 역사적으로 알칼로이드를 공통의 천연 자원(예: 식물 종)에 따라 분류해 왔다. 이 분류는 알칼로이드의 화학 구조에 대한 지식 부족으로 정당화되었지만, 현재는 시대에 뒤떨어진 것으로 간주된다.

보다 최근의 분류는 탄소 골격의 유사성(예: 인돌 유사, 이소퀴놀린 유사, 피리딘 유사) 또는 생성 전구체(오르니틴, 리신, 티로신, 트립토판 등)에 기반하고 있다. 그러나, 이들은 둘 다 결정하기 어려운 경우에는 타협을 필요로 한다. 예를 들어, 니코틴의 피리딘 부분은 니코틴아마이드에, 피롤리딘 부분은 오르니틴에 유래하며, 따라서 어느 분류군에도 할당할 수 있다.

알칼로이드는 종종 다음과 같은 주요 그룹으로 분류된다.

* 진정 알칼로이드(True alkaloid): 복소환(Heterocycle)에 질소를 포함하고, 아미노산에 기원을 갖는다. 대표적인 예로는 아트로핀, 니코틴, 모르핀이 있다. 이 분류군에는 질소 복소환 외에도 테르펜(예: 에보닌)이나 펩타이드(예: 에르고타민) 부분을 포함하는 알칼로이드도 있다. 또한, 아미노산 기원이 아님에도 불구하고, 피페리딘 알칼로이드인 코니인이나 코니세인도 이 분류군에 포함된다.
* 원시 알칼로이드(Protoalkaloid): 진정 알칼로이드와 마찬가지로 질소를 포함하고, 아미노산에 기원을 갖지만, 복소환을 갖지 않는다. 예로는 메스칼린, 아드레날린, 에페드린이 있다.
* **폴리아민

5. 성질

대부분의 알칼로이드는 분자 구조에 산소를 포함하고 있으며, 일반적으로 상온에서 무색의 결정이다. 니코틴이나 코닌과 같이 산소가 없는 알칼로이드는 일반적으로 휘발성이 있는 무색의 유상(油狀) 액체이다. 일부 알칼로이드는 색깔이 있는데, 예를 들어 베르베린(황색)과 상귀나린(주황색 또는 노란 계열)이 있다.

대부분의 알칼로이드는 약한 염기이지만, 테오브로민과 테오필린과 같은 일부 알칼로이드는 양쪽성이다.

많은 알칼로이드들은 물에는 잘 녹지 않지만 유기 용매(예: 디에틸 에테르, 클로로폼, 1,2-디클로로에탄)에는 잘 녹는다. 카페인, 코카인, 코데인, 니코틴은 물에 약간 용해된다(용해도 ≥1g/L). 반면 모르핀이나 요힘빈을 포함한 다른 알칼로이드는 물에 매우 적게 용해된다(0.1–1 g/L).

알칼로이드와 산은 다양한 강도의 염을 형성한다. 이러한 염은 일반적으로 물과 에탄올에 잘 녹고 대부분의 유기 용매에는 잘 녹지 않는다. 예외적으로 유기 용매에 녹는 스코폴라민 히드로브로마이드나, 물에 잘 녹는 퀴닌 설페이트가 있다.

대부분의 알칼로이드는 쓴맛이 나거나 섭취 시 독성이 있다. 식물에서 알칼로이드가 생성되는 것은 초식 동물의 섭취에 대한 방어 기작으로 진화한 것으로 보인다. 그러나 일부 동물은 알칼로이드를 해독할 수 있는 능력을 진화시켰다. 일부 알칼로이드는 이를 해독하지 못하는 동물의 자손에게 발달 장애를 일으킬 수 있다. 한 예로 옥수수 백합(캘리포니아 콘 릴리, Veratrum californicum)의 잎에서 생성되는 알칼로이드 사이클로파민이 있다. 1950년대에는 이 식물을 뜯어 먹은 양에게서 태어난 새끼 양의 최대 25%가 심각한 얼굴 기형(변형된 턱부터 단안증까지)을 보였다. 수십 년간의 연구 끝에 1980년대에 기형의 원인 물질이 알칼로이드인 11-데옥시제르빈으로 확인되었고, 나중에 사이클로파민으로 명명되었다.

6. 자연계의 분포

다양한 생물체가 알칼로이드를 생산하며, 특히 관다발식물의 약 10~25% 종이 알칼로이드를 포함하고 있다. 이 때문에 과거에는 "알칼로이드"라는 용어가 주로 식물과 연관되어 사용되었다.

식물 내 알칼로이드 함량은 일반적으로 수 퍼센트 이내이며, 식물 조직 전체에 걸쳐 불균일하게 분포한다. 알칼로이드 농도가 높은 부위는 식물의 종류에 따라 다른데, 예를 들어 잎(검정독말풀), 열매나 씨앗(마전목), 뿌리(라울볼피아 세르펜티나), 나무껍질(키나나무) 등이 있다. 또한, 같은 식물이라도 조직에 따라 서로 다른 알칼로이드를 함유할 수 있다.

알칼로이드는 식물뿐만 아니라 다른 생물에서도 발견된다. 특정 균류, 예를 들어 환각버섯속(*Psilocybe*) 버섯에서는 실로시빈이 발견된다. 동물 중에서는 일부 두꺼비의 피부샘(이하선) 분비물에서 부포테닌과 같은 독성 알칼로이드가 발견되며, 도롱뇽의 일종인 불도롱뇽(*Salamandra salamandra*)은 사만다린을 지닌다. 많은 곤충, 특히 개미에서도 알칼로이드가 발견된다. 해양 생물 역시 다수가 알칼로이드를 함유하고 있다.

한편, 고등 동물에서 중요한 역할을 하는 아민인 아드레날린이나 세로토닌 등은 구조나 생합성 과정이 알칼로이드와 유사하여 때때로 알칼로이드로 분류되기도 한다.

7. 생합성

대부분의 알칼로이드 생합성 전구체는 아미노산이며, 오르니틴, 라이신, 페닐알라닌, 티로신, 트립토판, 히스티딘, 아스파르트산, 그리고 안트라닐산 등이 있다. 니코틴산은 트립토판 또는 아스파르트산으로부터 합성될 수 있다. 알칼로이드 생합성 경로는 매우 다양하여 쉽게 분류하기 어렵다. 그러나 다양한 종류의 알칼로이드 생합성에 관여하는 몇 가지 전형적인 반응이 있는데, 여기에는 쉬프 염기 및 만니히 반응의 합성이 포함된다.

쉬프 염기는 아민과 케톤 또는 알데하이드의 반응을 통해 얻을 수 있다. 이러한 반응은 C=N 결합을 생성하는 일반적인 방법이다.

알칼로이드의 생합성에서 이러한 반응은 피페리딘 합성과 같이 분자 내에서 일어날 수 있다.

만니히 반응의 필수 구성 요소는 아민과 카르보닐 화합물 외에도 친핵체 역할을 하는 카르바니온이며, 이는 아민과 카르보닐의 반응으로 생성된 이온에 대한 친핵성 첨가 반응에 관여한다.

만니히 반응은 분자간 반응과 분자내 반응 모두로 진행될 수 있다.

8. 이합체 알칼로이드

단량체 알칼로이드 외에도, 두 개 이상의 단량체 알칼로이드가 축합되어 생성되는 이합체, 삼합체, 사합체 알칼로이드도 존재한다. 이합체 알칼로이드는 일반적으로 동일한 유형의 단량체로부터 다음과 같은 메커니즘을 통해 형성된다.

* 만니히 반응: 예시로 보아카민이 있다.
* 마이클 첨가 반응: 예시로 빌랄스토닌이 있다.
* 알데히드와 아민의 축합: 예시로 톡시페린이 있다.
* 페놀의 산화적 첨가: 예시로 다우리신, 투보쿠라린이 있다.
* 락톤화: 예시로 카르파인이 있다.

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서로 다른 두 종류의 단량체로부터 형성되는 이합체 알칼로이드도 존재한다. 대표적인 예로 빈카 알칼로이드인 빈블라스틴과 빈크리스틴이 있는데, 이들은 카타란신과 빈돌린의 결합으로 생성된다.

새로운 반합성 항암제인 비노렐빈은 비소세포폐암 치료에 사용된다. 비노렐빈은 빈돌린과 카타란신의 또 다른 유도체 이합체로, 무수빈블라스틴이나 르로신, 또는 단량체 자체를 시작 물질로 사용하여 합성된다.

9. 생물학적 역할

알칼로이드는 생물의 정상적인 성장, 발달, 생식에 직접 관여하지는 않지만, 생존율이나 번식 능력을 높여 생태적 상호작용에서 선택적 이점을 제공하는 중요한 이차 대사산물 중 하나이다. 초기에는 알칼로이드가 포유류의 요소나 요산처럼 식물에서 질소 대사의 최종 산물이라는 가설이 있었으나, 그 농도가 일정하게 증가하는 것이 아니라 변동한다는 사실이 밝혀지면서 반박되었다.

알칼로이드의 알려진 기능 대부분은 자신을 보호하는 역할과 관련이 깊다. 예를 들어, 백합나무(Liriodendron tulipifera)가 만드는 아포르핀 알칼로이드인 리리오데닌은 기생 버섯으로부터 나무를 보호한다. 또한 식물 속 알칼로이드는 곤충이나 척삭동물이 식물을 먹지 못하게 막는 역할을 한다. 하지만 일부 동물은 알칼로이드에 적응하여 자신의 대사 과정에 이용하기도 한다. 세로토닌, 도파민, 히스타민과 같이 알칼로이드와 관련된 물질들은 동물에게 중요한 신경전달물질로 작용하며, 알칼로이드가 식물 성장을 조절할 수도 있음이 알려졌다.

알칼로이드를 방어 수단으로 사용하는 동물의 예로는 화려한 나방(Utetheisa ornatrix)이 있다. 이 나방의 유충과 성충이 가진 피롤리지딘 알칼로이드는 무당벌레, 풀잠자리, 육식성 노린재, 육식성 박쥐 등 여러 포식자에게 불쾌감을 주어 자신을 보호한다. 독미나리나방(Agonopterix alstroemeriana) 역시 알칼로이드를 활용하는 예이다. 이 나방의 유충은 독성이 강하고 알칼로이드가 풍부한 독미나리(Conium maculatum)를 먹고 자란다. 독미나리나방은 알칼로이드 덕분에 포식자로부터 자신을 보호할 뿐만 아니라, 독미나리를 산란 장소로 인식하는 데에도 도움을 받는다. 붉은불개미(Solenopsis invicta)의 독 알칼로이드인 솔레놉신은 새로운 서식지를 개척할 때 여왕개미를 보호하는 역할을 하며, 이 해충 개미 종이 전 세계적으로 퍼지는 데 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.

10. 응용

알칼로이드는 그 독특한 생리 활성으로 인해 다양한 분야에서 응용되고 있다. 주요 응용 분야로는 의학, 농업, 그리고 향정신성 약물로서의 사용을 들 수 있다.

의학적으로는 고대부터 식물에서 추출한 알칼로이드가 치료 목적으로 사용되어 왔으며, 현대 의약품 개발에도 중요한 역할을 하고 있다. 농업 분야에서는 일부 알칼로이드가 살충제로 활용되기도 했으나, 인체 독성 문제로 인해 그 사용이 제한적이다. 또한, 특정 알칼로이드는 중추 신경계에 작용하여 흥분제, 진통제, 환각제 등 향정신성 약물로 사용되기도 한다. 각 분야에서의 구체적인 활용 사례와 종류는 하위 문단에서 더 자세히 다룬다.

10.1. 의학

알칼로이드를 함유한 식물은 고대부터 치료 및 기분 전환 목적으로 사용되어 왔다. 메소포타미아에서는 기원전 2000년경부터 약용 식물이 알려져 있었고, 호메로스의 《오디세이아》에는 아편이 포함된 것으로 추정되는 약이 언급된다. 중국의 고대 서적에도 마황과 양귀비의 의학적 효능이 기록되어 있으며, 코카 잎 역시 남아메리카 원주민들이 오래전부터 사용해왔다. 아코니틴이나 투보쿠라린처럼 독성이 강한 알칼로이드 추출물은 고대부터 독화살에 사용되기도 했다.

19세기에 프리드리히 제르튀르너가 아편에서 모르핀을 처음 분리한 이후, 알칼로이드 연구가 본격화되면서 임상 현장에서의 응용이 시작되었다. 오늘날에도 많은 알칼로이드가 의약품으로 사용되고 있으며, 주로 염 형태로 활용된다. 주요 알칼로이드와 그 작용은 다음과 같다.

또한, 기존 알칼로이드의 구조를 변형하여 약효를 증강하거나 부작용을 줄인 많은 합성 및 반합성 약물이 개발되었다. 예를 들어, 오피오이드 수용체 길항제인 날록손은 아편에 존재하는 알칼로이드인 테바인의 구조를 변형하여 만든 약물이다.

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10.2. 농업

비교적 독성이 낮은 합성 살충제가 개발되기 전에는 니코틴과 아나바신의 염과 같은 일부 알칼로이드가 살충제로 사용되었다. 그러나 이러한 알칼로이드는 인간에 대한 독성이 높아 사용이 제한적이었다.

10.3. 향정신성 약물

알칼로이드와 이들의 추출물을 함유한 식물과 균류의 제제, 그리고 나중에는 순수 알칼로이드가 오랫동안 향정신성 물질로 사용되어 왔다. 코카인, 카페인, 그리고 카티논은 중추 신경계 흥분제이다. 메스칼린과 많은 인돌 알칼로이드(예: 실로시빈, 디메틸트립타민, 이보가인)는 환각제 효과를 가지고 있다. 모르핀과 코데인은 강력한 마약성 진통제이다.

자체적으로 강한 향정신성 효과를 나타내지는 않지만, 반합성 향정신성 약물의 전구체가 되는 알칼로이드도 있다. 예를 들어, 에페드린과 슈도에페드린은 메스카티논과 메탐페타민을 생산하는 데 사용된다. 테바인은 옥시코돈과 같은 많은 진통제의 합성에 사용된다.