알칼로이드

섬네일|최초로 분리된 단일 알칼로이드인 모르핀은 1804년 양귀비(Papaver somniferum)로부터 분리되었다.

알칼로이드(alkaloid, 유염기, 식물염기)는 자연적으로 존재하면서 대개 염기로 질소 원자를 가지는 화합물의 총칭이다. 대부분의 물질은 염기성이지만 일부 중성이나 약한 산성을 띤 화합물까지 이에 포함되며, 유사한 구조를 가진 인공 화합물까지도 알칼로이드라 일컫는다. 탄소와 수소, 질소는 기본이며 알칼로이드 분자는 또한 황과 드물게 염소, 브로민, 인까지 포함할 수도 있다.

알칼로이드는 천연물이나 이차대사산물의 일종으로, 박테리아나 균류, 식물, 동물을 비롯한 다양한 생물군에서 얻을 수 있다. 많은 알칼로이드는 천연 그대로 뽑아낸 것을 산염기 추출을 통해 정제가 가능하다. 다른 생체에 대해 독성을 띠는 것이 많다. 흔히 약리학적 효과를 가지므로 의약품이나 마약 등으로, 신내림 의식 등에서도 사용된다. 알칼로이드의 약리학적 효과는 주로 신경전달물질 수용체, 이온 채널, 효소 등 생체 분자와의 상호작용에 기인한다. 예를 들어 모르핀은 오피오이드 수용체에 결합하여 진통 효과를 나타내고, 아트로핀은 무스카린성 아세틸콜린 수용체를 차단하여 부교감신경을 억제한다. 이러한 선택적 결합 특성으로 인해 알칼로이드는 치료제 개발의 중요한 선도 화합물로 활용되어 왔다. 대표적인 알칼로이드로 국소 마취제이자 흥분제인 코카인, 흥분제 카페인과 니코틴, 진통제 모르핀, 말라리아약으로 쓰는 퀴닌 등이 있다. 서로 다른 알칼로이드는 사람과 동물 물질대사의 서로 다른 부분에 작용하나 맛은 한결같이 쓰다.

알칼로이드와 다른 함질소 자연 화합물의 경계는 그리 명확하지 않다. 아미노산 펩타이드, 단백질, 뉴클레오타이드, 핵산, 아민 같은 종류의 분자는 대개 알칼로이드라 부르지 않는다. 외향 고리에 질소를 포함한 천연 분자(메스칼린, 세로토닌, 도파민, 등)도 대개 알칼로이드가 아니라 아민의 일종이라 보는데, 관점에 따라서 알칼로이드 자체가 아민의 특수한 경우라고 볼 수도 있다.

 명칭 
섬네일|150px|"알칼로이드"라는 개념을 처음 도입한 논문.

"알칼로이드"라는 이름은 1819년 독일의 약제사 Carl F.W. Meissner가 처음 사용한 것으로, 라틴어 어근 ("식물의 재"를 뜻하는 에서 옴)와 그리스어 접미사 에서 파생되었다. 이 말은 사용되지 않다가 1880년대 O. Jacobsen이 Albert Ladenburg 화학용어사전에서 재발견한 후에야 널리 사용되기 시작했다.

개개의 알칼로이드를 명명하는 단일한 규정은 없다. 식물성 알칼로이드는 대개 속이나 종명에 접미사 "-ine"를 붙여 이름을 짓는다. 예로 벨라돈나풀에서 추출하는 아트로핀은 그 속명 아트로파에서, 마전의 씨에서 얻는 스트리키니네는 역시 그 속명 스트리크노스(마전속)에서 이름을 따온 것이다. 한 식물에서 여러 종의 알칼로이드를 얻을 수 있을 때는 "-idine", "-anine", "-aline", "-inine" 등의 접미사가 붙는다. 이런 명명 방식으로, 빙카속(Vinca) 식물에서 뽑아낸 알칼로이드로서 어근 "vin"을 가진 알칼로이드는 86종이나 된다.

 역사 
알칼로이드를 포함한 식물은 고대부터 치료용이나 기분 전환용으로 사용되었다. 메소포타미아에서는 기원전 2000년 즈음부터 약용으로 쓰는 식물이 알려져 있었다. 호메로스의 《오디세이아》에는 이집트 여왕이 헬렌에게 주었다는 선물, 즉 망각을 부르는 약이 나온다. 그 선물이란 것은 아편이 포함된 약으로 생각된다. 화초에 대해 다룬 1~3세기 중국의 책은 또 마황과 양귀비의 의학적 효능에 대해 언급한다. 코카나무잎 역시 오래전부터 남아메리카 인디언이 사용해왔다.

아코니틴, 튜보크라린 같이 독성 알칼로이드를 함유한 식물에서 뽑아낸 추출물은 고대부터 독화살의 화살축에 바르는데 쓰였다.

알칼로이드 연구는 19세기에 시작되었다. 알칼로이드의 염기성 특성을 이용한 산-염기 추출법이 초기 분리의 핵심 기술이었다. 식물 조직을 산성 용액으로 처리하여 알칼로이드를 수용성 염으로 만든 후, 염기를 첨가하여 유리 염기 형태로 전환시켜 유기 용매로 추출하는 방식이다. 이러한 방법론의 확립은 19세기 알칼로이드 화학 발전의 기초가 되었으며, 현대에도 천연물 분리의 기본 원리로 활용되고 있다.1804년에 독일 화학자 프리드리히 제르튀르너(Friedrich Sertürner)는 아편초로부터 "잠의 근원"()을 분리해내어서, 그리스 신화의 꿈의 신 모르페우스에 대한 경의로 "모르피움"이라는 이름을 붙였다. 이 약이 지금의 모르핀이다.

프랑스의 연구자 피에르 조제프 펠티에와 조제프 비앵네메 카방투는 퀴닌(1820)과 스트리키니네(1818)을 발견하면서 성장 초기 알칼로이드 화학에서 소중한 성과를 얻어냈다. 이후 크산틴(1817), 아트로핀(1819), 카페인(1820), 코닌(1827), 니코틴(1828), 콜히친(1833), 스파르테인(1851), 코카인(1860) 등 다른 알칼로이드가 속속 발견되었다.

1886년에는 독일 화학자 라덴부르크(Albert Ladenburg)가 알칼로이드의 하나인 코닌을 인공적으로 합성하는 데 성공했다. 2-메틸피리딘을 아세트알데히드와 반응시키고 거기서 나온 2-프로페닐피리딘을 나트륨으로 분해함으로써 코닌을 얻었다. 20세기 분광학과 크로마토그래피의 출현으로 알칼로이드 화학은 한층 가속되었고, 2008년까지 12,000개 이상의 알칼로이드가 식별되었다. 알칼로이드의 추출 기술도 발전을 거듭해왔다. 용매 추출법, 증류법 등이 주로 사용되었으나, 최근에는 초음파 보조 추출법이나 마이크로파 보조 추출법 같은 현대적 기술이 개발되어 추출 시간을 단축하고 용매 사용량을 줄이며 수율을 개선하는 데 활용되고 있다.

 분류 
섬네일|160px|두꺼비 독 부포테닌(Bufotenin). 인돌 핵이 있으며 아미노산 트립토판으로부터 살아있는 생물에서 합성된다.

알칼로이드는 대부분의 다른 자연 화합물에 비해 구조가 꽤나 다양하다는 것이 특성이며 알칼로이드를 분류하는 일관된 방법은 없다. 역사적으로, 처음에는 알칼로이드를 특정한 종류의 나무라던가 하는 자연의 출처와 묶어서 분류했다. 알칼로이드의 분자 구조에 관해 아는 바가 없었으므로 나름대로는 타당한 방법이었지만 현재는 이런 방법을 쓰지 않는다.

현대의 다른 분류들은 탄소 뼈대의 유사성이나(인돌알칼로이드, 이소퀴놀린알칼로이드, 피리딘알칼로이드 따위), 생물 발생상의 전구체(오르니틴계, 리신계, 타이로신계, 트립토판계 등)에 근거한다. 그러나 분류의 경계선상에 있어 애매할 때는 절충이 필요한데, 예로 니코틴은 니코틴아마이드에서 만들어진 피리딘 조각과 오르니틴에서 만들어진 피롤리딘 부분을 포함하고 있고 그러므로 두 분류 중 어디에 넣어도 이상하지 않다.

알칼로이드는 대개 다음의 주분류군으로 나뉜다:

 "진정알칼로이드(True alkaloids)" - 이종고리에 질소를 가지며 아미노산에서 비롯된 것. 대표적인 예가 아트로핀, 니코틴, 모르핀 등이다. 또한 피페르딘 알칼로이드인 코민이나 코니세인은 아미노산에서 비롯되지 않았음에도 여기에 들어간다.
 "원시알칼로이드(Protoalkaloids)" - 질소를 가지며 역시 아미노산에서 비롯된 것. 예로 메스칼린, 아드레날린, 에페드린 등이 있다.
 폴리아민 알칼로이드 - 푸트레신계, 스페르미딘계, 스페르민계 따위
 펩타이드 및 사이클로펩타이드 알칼로이드
 유사알칼로이드(Pseudalkaloids) - 아미노산에서 비롯되지 않았으나 알칼로이드와 유사한 화합물. 테르펜알칼로이드, 스테로이드알칼로이드를 비롯하여, 카페인이나 테오브로민, 테오필린 등이 속한 푸린알칼로이드가 있다. 어떤 학자들은 에페드린이나 카티논을 유사알칼로이드로 분류하는데, 이것들은 아미노산인 페닐알라닌에서 비롯되긴 하지만 그 질소 원자를 아미노산이 아니라 아미노기 전이 과정에서 얻는다.

어떤 알칼로이드의 경우 해당 주분류군의 특징이 되는 탄소 골격이 없다. 그래서 갈란타민이나 호모아포르핀 같은 것은 이소퀴놀린 조각을 포함하지 않음에도 일반적으로 이소퀴놀린알칼로이드에 넣는다.

아래 표는 단합체 알칼로이드의 주요 종류를 나열한 것이다.

 성질 
섬네일|어미양이 익시아(Veratrum californicum)의 잎을 먹고 낳은 기형 새끼양. 이 식물에 들어있는 알칼로이드인 사이클로파민은 눈이 하나 밖에 없는 키클로푸스증을 유발할 수 있다.
대부분 알칼로이드는 산소를 가지며 공기 중에서 무색 결정이 된다. 산소를 포함하지 않는 니코틴과 코닌 은 대개 불안정하고 공기 중에서 무색의 기름 같은 액체로 된다. 베르베린과 상귀나린 같은 알칼로이드는 노란 계열의 색을 띠기도 한다.

 자연계의 분포 
다양한 종류의 살아있는 생물체가 알칼로이드를 생산하며, 특히 관다발식물의 경우 10~25%의 종이 알칼로이드를 포함하고 있다. 따라서 예전에는 '알칼로이드'라는 말이 식물과 묶여서 생각되었다.

대개 식물에 포함된 알칼로이드는 몇 %이상을 넘지 않으며 당연히 조직 전반에 균질하지도 않다. 알칼로이드가 집중된 곳은 식물에 따라 잎(사리풀), 열매나 씨(스트리키니네), 뿌리(인도사목), 껍질(기나나무) 등으로 다르며, 당연히 같은 식물이라도 조직에 따라 다른 알칼로이드를 포함할 수 있다.

알칼로이드는 식물 뿐 아니라, 환각버섯속(Psilocybe)의 버섯종에서 얻는 실로시빈처럼 특정 균류에서도, 일부 두꺼비의 피부에 존재하는 독성 알칼로이드 부포테닌처럼 동물에서도 발견된다. 해양 생물 역시 많은 것이 알칼로이드를 가지고 있다. 아드레날린이나 세로토닌 따위의 아민은 구조면이나 생합성 과정이 알칼로이드와 유사하며 고등생물에서 중요한 역할을 수행하는데, 이들을 알칼로이드라 부르기도 한다.

 같이 보기 

 아민
 염기
 천연물
 2차 대사산물

 각주 

 참고 문헌 
 Tadeusz Aniszewski (2007). 《Alkaloids - secrets of life》(알칼로이드, 생명의 비밀) Amsterdam: Elsevier. .
 Paul M Dewick (2002). 《Medicinal Natural Products. A Biosynthetic Approach》 Wiley. 제2판. .
 Manfred Hesse (2002). 《Alkaloids: Nature's Curse or Blessing?》(알칼로이드: 자연의 저주? 아니면 축복?) Wiley-VCH. .
 Orekhov AP (1955). 《Chemistry alkaloids》(알칼로이드 화학) Acad. 제2판. M.: USSR.
 Plemenkov VV (2001). 《Introduction to the Chemistry of Natural Compounds》(천연화합물 화학 개론) Kazan.
 J. E. Saxton (1973). 《The Alkaloids. A Specialist Periodical Report》 - 런던: The Chemical Society.