Biologie von Naturstoffen
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20 Biosynthese und chemische Eigenschaften pflanzlicher Naturstoffe auch Polyketide, insbesondere Anthrachinone. Letztere interferieren auch mit der Adenylylcyclase, einem Enzym das den Botenstoff cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) synthetisiert, und daher mit vielen Signalwegen (Kapitel 5.3.6). Interessant ist das weitgehende Fehlen von cAMP in Pflanzen, wo es durch cGMP (zyklisches Guanidinmonophosphat) als Signalstoff ersetzt wird. Dies könnte eine Anpassung der pflanzlichen Signaltransduktion an ihre eigenen toxischen Metaboliten sein. Flavonoide wirken ebenfalls inhibierend auf viele Enzyme sowie toxisch und mutagen durch Alkylierung der DNA. 1.1.2 Biosynthese Die Biosynthese von Sekundärmetaboliten leitet sich von den Synthesewegen des Primärstoffwechsels ab (Abb. 1.4). Generell definiert sich ein komplexer Biosyntheseweg wie folgt: Das Ausgangssubstrat (oder vereinfacht Substrat), auch als Vorstufe (oder Vorläufermolekül) bezeichnet, wird enzymatisch über ein oder mehrere Zwischenverbindungen (Zwischenstufen, Intermediate) in das Endprodukt (vereinfacht auch Produkt) überführt. ⇔ Substrat (Vorstufe) → Intermediat (Zwischenstufe) → Intermediat → Produkt Vorstufe → Intermediat → Produkt In einem komplexen Stoffwechselweg, der viele Abzweigungen hat, ist daher ein Intermediat gleichzeitig auch wieder als Vorstufe für die nächsten enzymatischen Reaktionen zu verstehen. In Abbildung 1.4 wäre die Shikimisäure ein Intermediat des Aminosäurestoffwechsels, aber gleichzeitig auch das Substrat für die Biosynthese der aromatischen Sekundärmetaboliten. Zucker, Fette und Aminosäuren werden in Abbildung 1.4 als Vorstufen definiert und eine Vielzahl von unterschiedlichen Strukturen für Zucker dann in der Gruppe der Kohlenhydrate zusammengefasst. Dies gilt ebenso für die Gruppe der Aminosäuren und die Gruppe der Fette. Die Sekundärmetaboliten werden hier als Endprodukte definiert. Daraus ergibt sich, dass oft gemeinsame Vorstufen für die Biosynthese mehrerer Klassen von pflanzlichen Metaboliten verwendet werden. Die Endprodukte, die aus den drei verschiedenen großen Vorstufengruppen hervorgegangen sind, wurden mit unterschiedlichen Farben in Abbildung 1.4 unterlegt. Die Hauptvorstufen sind die des Protein- (Aminosäuren), Kohlenhydrat- (Zucker), Nukleinsäure- (Nukleotide) und Fettstoffwechsels (Fettsäuren). Über den Biosyntheseweg für aromatische Aminosäuren werden viele Sekundärmetaboliten wie die Phenole oder Flavonoide sowie einige Alkaloide synthetisiert. Über aktivierte Essigsäure (Acetyl-Coenzym A; Acetyl-CoA) aus dem Kohlenhydrat- Ausgewählte Klassen von Sekundärmetaboliten bei Pflanzen 21 DNA/RNA Proteine Kohlenhydrate Abb. 1.4 Fette Nukleotide AminosäureMetabolismus Shikimisäure Biosynthese von Aromaten Phenolderivate FettsäureMetabolismus Phosphoenolpyruvat Acetyl-CoA AcetatPolyketidWeg TricarbonsäureZyklus Aminosäure – AlkaloidBiosyntheseweg Alkaloide ZuckerMetabolismus Flavonoide Abbildung 1.4 Organische Säuren Isopentenylpyrophosphat Isoprenstoffwechsel Terpene Steroide oder Fettstoffwechsel und dem Tricarbonsäurezyklus werden organische Säuren gebildet, die wiederum Vorstufen für Sekundärmetaboliten sein können. Über Acetyl-CoA leiten sich auch die Terpene ab, die wiederum eine eigene Klasse von Sekundärmetaboliten bilden. Für einige ausgewählte Gruppen von Sekundärmetaboliten werden die Biosynthesewege im Folgenden noch genauer besprochen. Die Kenntnis über Biosynthesewege ist zum einen wichtig bei der gezielten Veränderung von Sekundärmetaboliten und zum anderen für die Untersuchung der Bedeutung spezifischer Biosynthesewege, beispielsweise in der pflanzlichen Abwehr oder bei abiotischer Stress­ toleranz. Daneben ist es aber auch wichtig, Erkenntnisse über die transkriptionelle Kontrolle der beteiligten Gene zu erlangen. Daher werden auch einige Beispiele aufgeführt, für die man eine Transkriptionskontrolle gut untersucht hat, wie bei den Flavonoiden und Glucosinolaten. Schließlich helfen die Kenntnisse zur Biosynthese auch, die Entstehung der Sekundärmetaboliten in der Evolution zu verstehen und nachzuvollziehen. Generelles Schema der Biosynthesewege und Vorstufen, die an der Synthese von Sekundärmetaboliten beteiligt sind. Dunkelblau ist der Weg über aromatische Aminosäuren, grau über Zucker und hellblau über Fette dargestellt. 22 Biosynthese und chemische Eigenschaften pflanzlicher Naturstoffe Nachdem die Grundstruktur eines Metaboliten synthetisiert worden ist – ausgehend von den oben geschilderten Wegen – gibt es eine Vielzahl an möglichen enzymatischen Modifikationen, die dann erst zu der eigentlichen Molekülvielfalt führen. Dazu gehören unter anderem Oxidationen, Reduktionen, Acylierungen, Methylierungen, Prenylierungen, und Glycosylierungen (Tab. 2.5). Alkaloide Unter den Alkaloiden finden sich viele berauschende, anregende und schmerzstillende Substanzen. Viele Verbindungen sind toxisch oder können zu toxischen Substanzen umgewandelt werden. Die Biosynthese der stickstoffhaltigen Alkaloide geht von Aminosäuren aus; für einige Alkaloide werden Teile des Moleküls oder auch nur Seitengruppen aus anderen Stoffwechselwegen, z. B. der Terpensynthese, benötigt. Wie für alle Sekundärmetaboliten ist die Grundstruktur ausschlaggebend für den beteiligten Biosyntheseweg (Tab. 1.3). Der Biosyntheseweg einzelner Substanzen ist sehr komplex. Viele verschiedene Vorstufen sind involviert, unter anderem die Wege über die aromatischen Aminosäuren Tryptophan, Tyrosin und Phenylalanin. Für einige Alkaloide stellen Aspartat, Glutamin, Glycin, Lysin und Valin die Vorstufe dar. Auch die nichtproteinogene Aminosäure Ornithin ist Vorstufe für einige Alkaloide. Die Vorstufe der Acridinalkaloide ist Anthranilsäure, die auch als Vorstufe für Tryptophan dient (Tab. 1.3). Damit ist, wie so oft, auch hier der sogenannte Shikimatweg essenziell für die Bereitstellung der Vorstufen (ausgehend von Shikimisäure werden auf diesem Biosyntheseweg unter anderem die aromatischen Aminosäuren synthetisiert, die wiederum Vorstufen vieler Sekundärmetaboliten sind; Abb. 1.4 und Abb. 1.6). In vielen Fällen, wie z. B. für die Terpenindolalkaloide, werden mehrere Vorstufen aus unterschiedlichen Biosynthesewegen für die Synthese benötigt. Auch wenn die Alkaloide sowohl für die Pflanzen als auch für den Menschen große Bedeutung haben, sind die komplexen Biosynthesewege nur teilweise gut erforscht. Es ist jedoch wichtig, die Vorstufen zu kennen und auch im Stoffwechsel einzuordnen, damit bei eventuellen züchterischen oder gentechnischen Veränderungen von z. B. Zell- oder Gewebekulturen berücksichtigt wird, welche anderen Wege auch betroffen sein könnten, da sie um dieselbe Vorstufe konkurrieren (Kapitel 1.3). Dies gilt insbesondere für die aromatischen Aminosäuren, die auch in anderen Biosynthesewegen für Sekundärmetaboliten (z. B. Phenole und Flavonoide) eine Rolle spielen. Aminosäuren werden in großen Mengen in Proteine eingebaut, sodass bei Knappheit weniger Sekundärmetaboliten gebildet werden dürften. Pyrrolizidinalkaloide werden aus Ornithin oder Arginin gebildet. Sie werden hauptsächlich in Wurzeln synthetisiert und dann in an- Vorstufe Beispielsubstanz Formel Grundstruktu Grundstruktur Vorstufe Beispielsubstanz Formel Grundstruktur (Pflanze) eingeteilt auf Grund Tabelle 1.3. Die wichtigsten Klassen von Alkaloiden, ihrer undstruktur chemischen Struktur. Außerdem werden die Hauptvorstufen angegeben. Zu jeder (Pflanze) Anthranilat OH-N-Methylacridon Tabelle 1.3. Die wichtigsten Klassen von Alkaloiden, auf Grund ihrer Acridin Ausgewählte Klasseneingeteilt von Sekundärmetaboliten Pflanzen 23 Gruppe wird eine Beispielsubstanz angegeben und eine Pflanze in der sie bei vorkommt. belle 1.3. Die Klassen von Alkaloiden, eingeteilt aufangegeben. Grund ihrerZu Tabelle 1.3. wichtigsten Die wichtigsten Klassen von OH-N-Methylacridon Alkaloiden, eingeteilt auf Grund ihrer Anthranilat chemischen Struktur. Außerdem werden die Hauptvorstufen jeder (Ruta graveolens) ridin emischen Struktur. werden dievon Hauptvorstufen angegeben. Zu jeder chemischen Struktur. Außerdem werden die Hauptvorstufen angegeben. Zu jeder Gruppe wird eine Beispielsubstanz angegeben und eine Pflanze in der sie vorkommt. Tabelle 1.3.Außerdem Die wichtigsten Klassen Alkaloiden, eingeteilt auf Grund ihrer (Ruta graveolens) Vorstufe Beispielsubstanz Grundstruktur Tab. 1.3 Die wichtigsten Klassen von Alkaloiden, eingeteilt nach ihrerFormel chemischen StrukGrundstruktur Tabelle 1.3.Beispielsubstanz Die wichtigsten Klassen von Alkaloiden, Alkaloiden, eingeteilt auf Grund ihrer chemischen Struktur. Außerdem werden die Hauptvorstufen angegeben. Zuvorkommt. jedervorkommt. uppe wirdwird eine Beispielsubstanz angegeben und eineeingeteilt Pflanze in Grund der Gruppe eine angegeben und eine Pflanze in sie der sie Tabelle 1.3. Die wichtigsten Klassen von auf ihrer tur. Außerdem werden diewerden Hauptvorstufen angegeben. Zu jeder Gruppe chemischen Struktur. Außerdem die Hauptvorstufen angegeben. Zu jederwird eine (Pflanze) Gruppe wird eine Beispielsubstanz angegeben und eine Pflanze in der sie vorkommt. chemischen Struktur. Außerdem werden die Hauptvorstufen angegeben. Zu jeder Vorstufe Beispielsubstanz Formel Grundstruktur Tabelle 1.3. Die wichtigsten Klassen von Alkaloiden, eingeteilt auf Grund ihrer Grundstruktur angegebenangegeben und eine Pflanze in der sie vorkommt. GruppeBeispielsubstanz wird eine eine Beispielsubstanz Beispielsubstanz und eine eine Pflanze in der der sie sie vorkommt. vorkommt. Gruppe wird angegeben und Pflanze in chemischen Struktur. Außerdem werden die Hauptvorstufen angegeben. Zu jeder Anthranilat OH-N-Methylacridon Vorstufe Beispielsubstanz Formel Grundstruktur Vorstufe Beispielsubstanz Formel Grundstruktur Acridin undstruktur (Pflanze) Grundstruktur Vorstufe Beispielsubstanz Grundstruktur Gruppe wird eine Beispielsubstanz angegeben und eine Pflanze in Formel der sieGrundstruktur vorkommt. Grundstruktur Vorstufe Beispielsubstanz Formel Grundstruktur Vorstufe Beispielsubstanz Formelihrer Grundstruktur (Ruta graveolens) (Pflanze) Tabelle 1.3. Die wichtigsten Klassen (Pflanze) von Alkaloiden, eingeteilt auf Grund Grundstruktur (Pflanze) Vorstufe Beispielsubstanz Formel Grundstruktur Tyrosin Sanguinarin Anthranilat OH-N-Methylacridon (Pflanze) Grundstruktur Acridinchemischen Benzophenanthrinidin (Pflanze) Struktur. Außerdem werden die Hauptvorstufen angegeben. Zu jeder Vorstufe Beispielsubstanz Formel Grundstruktur Anthranilat OH-N-Methylacridon (Pflanze) Anthranilat OH-N-Methylacridon Anthranilat OH-N-Methylacridon Grundstruktur Acridin (Ruta graveolens) ridin AcridinGruppe Sanguinarin (Eschscholzia Beispielsubstanz und eine Pflanze in der sie vorkommt. OH-N-Methylacridon Acridin wird eine Tyrosin Anthranilat nzophenanthrinidin Anthranilat angegeben OH-N-Methylacridon Acridin (Ruta graveolens) graveolens) Anthranilat OH-N-Methylacridon (Ruta(Pflanze) graveolens) Acridin (Ruta (Ruta graveolens) (Eschscholzia (Ruta graveolens) Anthranilat Vorstufe Acridin Grundstruktur Benzophenanthrinidin Tyrosin Anthranilat Acridin Tyrosin Benzophenanthrinidin Tyrosin Benzophenanthrinidin Tyrosin Benzophenanthrinidin Tyrosin Benzophenan­ Tyrosin Tyrosin Tyrosin Benzophenanthrinidin nzophenanthrinidin Benzophenanthrinidin thrinidin Benzophenanthrinidin Tyrosin Ornithin Chinazolin Benzophenanthrinidin Tyrosin Ornithin inazolin Chinazolin ChinazolinChinazolin Chinazolin Chinazolin Chinazolin Chinazolin inazolin Chinazolin Chinazolin Chinolin inolin Chinolin Chinolin Chinolin Ornithin Ornithin Ornithin Ornithin Ornithin Ornithin Ornithin Ornithin Ornithin Ornithin Anthranilat Anthranilat Anthranilat Tryptophan Anthranilat Tryptophan Anthranilat Tryptophan Tryptophan Anthranilat Anthranilat Tryptophan Anthranilat californica) OH-N-Methylacridon (Ruta graveolens) Beispielsubstanz Formel Grundstruktur (Ruta graveolens) californica) (Pflanze) Sanguinarin OH-N-Methylacridon (Eschscholzia Sanguinarin Sanguinarin (Ruta graveolens) Sanguinarin (Eschscholzia Sanguinarin Sanguinarin californica) Sanguinarin Sanguinarin (Eschscholzia (Eschscholzia (Eschscholzia californica) californica) Sanguinarin (Eschscholzia (Eschscholzia (Eschscholzia californica) californica) (Eschscholzia californica) Peganin californica) californica) californica) Sanguinarin Peganin (Peganum harmala) (Eschscholzia (Peganum harmala) californica) Peganin Peganin Peganin (Peganum harmala) Peganin (Peganum harmala) (Peganum harmala) harmala) Peganin Peganin (Peganum Peganin Peganin Peganin (Peganum harmala) (Peganum harmala) (Peganum harmala) (Peganum harmala) (Peganum harmala) Peganin (Peganum harmala) Chinin Chinin Chinin (Cinchona officinalis) Chinin (Cinchona officinalis) Chinin (Cinchona officinalis) (Cinchona officinalis) Chinin Chinin (Cinchona officinalis) Tryptophan Tryptophan Anthranilat Chinolin Tryptophan Chinin officinalis) (Cinchona (Cinchona officinalis) Anthranilat Anthranilat Anthranilat (Cinchona officinalis) Tryptophan Chinin Chinolin Tryptophan Chinin Tryptophan Chinin Tryptophan Chinin Chinolin (Cinchona officinalis) inolin Chinolin (Cinchona officinalis) (Cinchona officinalis) (Cinchona officinalis) Lysin Lupanin Chinolizidin Chinolin Chinolin Chinolizidin Chinolizidin Chinolizidin Chinolizidin inolizidinChinolizidin Chinolizidin Chinolizidin Chinolizidin Imidazol inolizidin Chinolizidin Imidazol Imidazol Imidazol midazol Imidazol ImidazolImidazol Indol idazol Indol Imidazol Indol Indol dazol Imidazol ndol Indol dol Indol olIndol Indol Lysin Lysin Lysin Lysin Lysin Lysin Lysin Lysin Lysin LysinLysinHistidin Histidin Histidin Histidin Histidin Histidin Histidin Histidin Tryptophan Histidin Tryptophan Lupanin (Lupinus polyphyllus) Lupanin Lupanin (Lupinus polyphyllus) Lupanin (Lupinus polyphyllus) Lupanin (Lupinus polyphyllus) (Lupinus polyphyllus) Lupanin Lupanin (Lupinus polyphyllus) (Lupinus polyphyllus) Lupanin (Lupinus Lupanin polyphyllus) (Lupinus polyphyllus) Lupanin Pilocarpinpolyphyllus) Lupanin (Lupinus Pilocarpin (Pilocarpus jaborandi) Pilocarpin (Lupinus polyphyllus) (Lupinus polyphyllus) (Pilocarpus jaborandi) jaborandi) Pilocarpin (Pilocarpus (Pilocarpus jaborandi) Pilocarpin Pilocarpin Pilocarpin Pilocarpin Serotonin Pilocarpin (Pilocarpus jaborandi) (Pilocarpus jaborandi) (Pilocarpus jaborandi) Serotonin (Musa x paradisiaca) Serotonin (Pilocarpus jaborandi) (Pilocarpus jaborandi) Pilocarpin (Musa xx paradisiaca) paradisiaca) Serotonin (Musa Tryptophan Histidin Tryptophan Histidin Pilocarpin Histidin Pilocarpin jaborandi) (Pilocarpus (Musa x paradisiaca) (Pilocarpus jaborandi) (Pilocarpus jaborandi) Tryptophan Tryptophan Tryptophan Tryptophan Tryptophan Tryptophan Tryptophan Serotonin Serotonin (Musa x paradisiaca) Serotonin Serotonin (Musa x paradisiaca) (Musa x paradisiaca) Serotonin (Musa x paradisiaca) Serotonin Serotonin (Musa x paradisiaca) Histidin Pilocarpin Tyrosin Morphin nImidazol Tyrosin Morphin (Pilocarpus jaborandi) lin 24 Biosynthese und chemische Eigenschaften pflanzlicher Naturstoffe (Papaver somniferum) Tyrosin Morphin nolin (Papaver somniferum) (Papaver somniferum) Grundstruktur Vorstufe Beispielsubstanz Formel Grundstruktur Indol ylamin Indol lkylamin lalkylamin nolin sochinolin Isochinolin Isochinolin (Pflanze) Tryptophan Serotonin Phenylalanin Cathinon Tryptophan Serotonin Phenylalanin Cathinon (Musa x(Musa paradisiaca) x paradisiaca) (Catha edulis) Phenylalanin Cathinon Tyrosin Morphin (Catha edulis) Tyrosin Morphin (Cathasomniferum) edulis) Tyrosin Morphin (Papaver Tyrosin Morphin Tyrosin Tyrosin Isochinolin Isochinolin (Papaver somniferum) (Papaver somniferum) (Papaver somniferum) Morphin Morphin (Papaver somniferum) (Papaver somniferum) Phenylalanin 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Aspartat Valin Ornithin Ornithin Valin Ornithin Ornithin Ornithin Aspartat Ornithin Valin Valin Ornithin Aspartat Aspartat n Pyrrolizidin Ornithin Tryptophan Ornithin Terpenindol Ornithin Aspartat Tryptophan Terpenindol din Pyrrolizidin Valin Isopren Ornithin Valin Isopren Ornithin Aspartat Tryptophan Terpenindol idin Terpenindol Tryptophan Isopren Ornithin Nicotin Nicotin Nicotin (Nicotiana tabacum) Nicotin (Nicotiana tabacum) (Nicotiana tabacum) (Nicotiana tabacum) Muscarin Muscarin (Amanita muscaria) Muscarin Nicotin (Amanita muscaria) Nicotin Muscarin Nicotin (Amanita muscaria) Nicotin (Nicotiana tabacum) (Nicotiana tabacum) (Nicotiana tabacum) (Amanita muscaria) Nicotin (Nicotiana Nicotin tabacum) (Nicotiana tabacum) (Nicotiana tabacum) Nicotin Senecionin Muscarin Senecionin Muscarin Muscarin (Senecio jacobaea) (Amanita muscaria) (Senecio jacobaea) (Amanita muscaria) Senecionin (Amanita muscaria) Senecionin (Senecio jacobaea) (Senecio jacobaea) (Nicotiana Muscarin tabacum) 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