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Philipps-Universität Marburg Fachbereich Chemie Leitung: Prof. Dr. B. Neumüller, Dr. P. Reiß Ausarbeitung zur Übung im Experimentalvortrag über PFLANZENINHALTSSTOFFE von Siegrid Heinlein WS 08/09 Inhaltsverzeichnis 1. Pflanzen .............................................................................................................. 3 2. Nutzungsmöglichkeiten von Pflanzen .................................................................. 4 2.1 Nahrungspflanzen ......................................................................................... 4 2.2 Sekundärstoffhaltige Pflanzen ....................................................................... 4 2.3 Arzneimittel aus Pflanzen .............................................................................. 4 2.4 Nichtnahrungspflanzen .................................................................................. 6 3 Elementare Zusammensetzung höherer Pflanzen .............................................. 6 4 Primäre und sekundäre Inhaltsstoffe ................................................................... 7 4.1 Primäre Pflanzeninhaltsstoffe ........................................................................ 7 4.1.1 DNA ........................................................................................................ 7 4.1.2 Stärke ..................................................................................................... 9 4.1.3 Cellulose ............................................................................................... 10 4.1.4 Lipide .................................................................................................... 12 4.2 Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe ................................................................. 16 4.2.1 Phenylpropanoide ................................................................................. 18 4.2.2 Alkaloide ............................................................................................... 19 4.2.3 Isoprenoide ........................................................................................... 24 5 Schulrelevanz .................................................................................................... 26 6 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 27 1. Pflanzen Pflanzen zeichnen sich unter anderem durch einen photoautotrophen Stoffwechsel aus. Sie wandeln dabei Lichtenergie in andere Energieformen um, so dass aus Kohlendioxid letztendlich energiereiche, organische Moleküle aufgebaut werden können. Da Lichtenergie nur von photosynthetisch aktiven Lebenwesen genutzt werden kann, ist das Leben aller anderen Organismen erst durch Photosynthese möglich. Bei der Photosynthese Sauerstofffreisetzung Wasser zu nutzt spalten die und Pflanze Licht, Kohlendioxid in um unter organischen Verbindungen umzusetzen. Die komplexe Reaktionsfolge, die letztendlich zur Reduktion von Kohlendioxid führt, umfasst die lichtabhängigen Primärprozesse an den Thylakoidmembranen und die lichtunabhängigen Sekundärprozesse der Kohlenstofffixierung im Stroma der Chloroplasten (Taiz und Zeiger, 2000). Pflanzen lassen sich nach der Organisation des Pflanzenkörpers in niedere und höhere Pflanzen einteilen. In höheren Pflanzen sind drei Grundorgane (Blatt, Spross, Wurzel) erkennbar (vgl. Abbildung 1). Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer höheren Pflanze Niedere Pflanzen weisen einen wesentlich geringeren Organisationsgrad auf. Im Folgenden sind immer nur höhere Pflanzen gemeint, wenn der Begriff Pflanze verwendet wird. 2. Nutzungsmöglichkeiten von Pflanzen Pflanzen sind in vielerlei Hinsicht vom Menschen nutzbar. Sie sind als Nahrungsquelle essentiell. Darüber hinaus macht sich der Mensch Bestandteile von Pflanzen aufgrund ihrer Eigenschaften zu nutze. Auch die Wirkung mancher pflanzlicher Stoffe als Arzneimittel ist ein schon seit Jahrtausenden bekanntes und immer noch bedeutendes Wissen. 2.1 Nahrungspflanzen Nahrungspflanzen lassen sich grob in Grundnahrungsmittelpflanzen und Gemüse-, Salat- und Obstpflanzen einteilen. Die Grundnahrungsmittelpflanzen sind wegen ihrer primären Speicherstoffe, wie Fette und Öle, Kohlenhydrate und Eiweiße, für die Versorgung wichtig. Um eine ausgewogene und gesunde Ernährung zu erreichen sind verschiedenste Substanzen für den Menschen bedeutsam. Die meisten sind in Pflanzen oder Pflanzenteilen zu finden. Auch als Genussmittel- und Gewürzpflanzen haben Pflanzen eine gewichtige Funktion. Daneben sind tierische Produkte als Nahrungsquelle wichtig, wodurch Futterpflanzen indirekt auch als Nahrungspflanzen eingeordnet werden können. 2.2 Sekundärstoffhaltige Pflanzen Pflanzen werden auch aufgrund ihrer Inhaltsstoffe genutzt. So dienen viele Pflanzen in der Medizin als Arzneistofflieferant. Einige Pflanzen enthalten Stoffe mit psychoaktiver Wirkung. Andere Pflanzen sind zwar für die Ernährung nicht essentiell, bereichern aber das Leben. Dazu zählen Genussmittel- und Gewürzpflanzen oder such Süßstofflieferanten. 2.3 Arzneimittel aus Pflanzen Die Bedeutung von Pflanzen als Arzneimittel ist lange bekannt. Früher waren Pflanzenkundige oft auch für die Gesundheitsversorgung zuständig, weshalb bis ins 17 Jahrhundert die Begriffe „Arzt“ und „Botaniker“ synonym verwendet wurden. Auch die Medizin der Naturvölker ist zum größten Teil angewandte Botanik. Pflanzeninhaltsstoffe sind in ihrer Wirkung oft sehr spezifisch und drastisch, was sie für Heilzwecke sehr potent macht. Auch heute geht noch ein großer Anteil der Arzneimittel auf pflanzliche Ausgangssubstanzen zurück oder enthält diese unverändert (ca. ¼). Abbildung 2: Übersicht über einige Arzneipflanzen Tabelle 1: Beispiele für aus Pflanzen gewonnene Wirkstoffe Wirkstoff Substanzklasse Pflanze Anwendung Digoxon Steroid Wolliger Fingerhut Herzinsuffizienz Chinin Alkaloid Chinarindenbaum Malaria Taxol Diterpen Westpazifische Eibe Cytostatikum Codein Alkaloid Schlafmohn Reizhusten 2.4 Nichtnahrungspflanzen Zu den Nichtnahrungspflanzen können Futterpflanzen gezählt werden, obwohl sie, wie oben bereits erwähnt, indirekt für die Ernährung eine Rolle spielen und deshalb auch manchmal zu den Nahrungspflanzen gerechnet werden. Der Mensch nutzt viele Pflanzen, Pflanzenteile oder Inhaltsstoffe auch technisch. Im Garten- und Landschaftsbau sind Pflanzen ebenfalls bedeutsam. Genutzte Teile sind häufig die Fasern oder das Holz. Aber auch Gerbstoffe, Harze und Wachse, sowie Kautschuk und verwandte Stoffe sind technisch von großer Rolle. Eine andere Nutzungsform ist die Verwendung als Farbstoffe. Aufgrund ihrer Inhaltsstoffe können bestimmte Pflanzen als Insektizide verwendet werden. Aber auch als Energie- und Kraftstofflieferant werden Pflanzen angebaut. 3 Elementare Zusammensetzung höherer Pflanzen Untersucht man den Elementgehalt von Pflanzen, setzt sich der Hauptbestandteil der nach der Entfernung von Wasser erhaltenen Trockenmasse aus den Nichtmetallen Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor zusammen. Kohlenstoff übertrifft dabei die anderen Elemente sowohl an Masse, als auch an Bedeutsamkeit. Diese genannten Elemente liegen meist in organischen Verbindungen gebunden vor, zum Teil aber auch ionisch. Daneben finden sich zudem noch zahlreiche andere Elemente, die ebenfalls entweder Bestandteil von organischen Verbindungen sind oder in Form von Ionen in der Pflanzenmasse vorliegen. Neben den bereits genannten Elementen benötigen Pflanzen zudem in größeren Mengen die Metalle Kalium, Calcium, Magnesium und Eisen. Als Spurenelemente sind in höheren Pflanzen unter anderem Bor, Mangan, Zink, Kupfer, Chlor und Molybdän essentiell. Sind diese nicht vorhanden, hat dies schwere physiologische Folgeschäden für die Pflanze. 4 Primäre und sekundäre Inhaltsstoffe Die Inhaltsstoffe von Pflanzen lassen sich in die primären (Primärmetabolite) und sekundären (Sekundärmetabolite) unterteilen. Nach in nachfolgendem Abschnitt beschriebenen Charakteristika werden bestimmte Substanzen der jeweiligen Gruppe zugeteilt, doch verlaufen die Grenzen fließend und eine exakte Einordnung ist oft nicht möglich. 4.1 Primäre Pflanzeninhaltsstoffe Grundsätzlich kommen Primärmetabolite in allen höheren Pflanzen vor und übernehmen dort immer dieselbe Funktion (Photosynthese, Atmung, Lipidsynthese,...). Zu den primären Pflanzeninhaltsstoffen werden Aminosäuren, Fettsäuren, Cytochrome, Chlorophylle u.v.a. gezählt. Im Folgenden werden DNA, Stärke, Cellulose und Lipide näher betrachtet. 4.1.1 DNA DNA steht kurz für Desoxyribonukleinsäure. Diese Substanz trägt in allen Pflanzen und auch Tieren die Erbinformation. Sie besteht aus zwei Einzelsträngen, die über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind (vgl. Abbildung 3). Die Struktur des DNA-Doppelstranges windet sich schraubig zu einer Doppelhelix. Aufgebaut sind die Stränge aus nur vier Nukleinbasen, die über zwei (Adenin und Thymin), bzw. drei (Cytosin und Guanin) Wasserstoffbrücken komplementär zueinander binden. Die DNA kodiert für Proteine. Abbildung 3: Struktur der DNA Demo 1: Isolierung von DNA aus Früchten Chemikalien: Spülmittel, NaCl, Ethanol, Wasser (bidest.) Geräte: Mörser, Messer, Trichter, Filter, Schaschlikspieß, Messzylinder, Becherglas Durchführung: Zur Herstellung des Lysepuffers wird in einer Lösung aus 10 mL Spülmittel und 90 mL 3 g Kochsalz aufgelöst. Eine Mandarine (oder auch eine andere Frucht) wird zuerst mit dem Messer zerkleinert. 20 mL des Lysepuffers werden zugegeben und mit dem Pistill ungefähr eine Minute sorgfältig zerdrückt und gerührt. Der Brei wird durch einen Filter gegeben und die Lösung aufgefangen. 4 mL der Lösung werden in einen kleinen Messzylinder gegeben und mit etwas Wasser verdünnt, falls die Lösung geliert. Vorsichtig wird mit 8 mL eisgekühltem Ethanol überschichtet. Mit einem Holzspieß kann die an der Grenzfläche flockig ausfallende DNA aufgewickelt werden. Beobachtung und Auswertung: Durch das Mörsern werden die Zellwände mechanisch zerstört. Das Spülmittel löst die Zellmembran und die Kernhülle auf, so dass die DNA in Flüssigkeit gelöst werden kann. Durch die Zugabe des Alkohols wird der DNA die Hydrathülle entzogen und sie fäll an der Grenzfläche aus. 4.1.2 Stärke Stärke ist ein schraubig gewundenes Polysaccharid, das aus zwei verschiedenen Molekülen aufgebaut ist. Amylose ist ein unverzweigtes Molekül, welches aus ca. 1000 Glucosemoleküle aufgebaut ist. Diese sind α-(1→4)-glycosidisch miteinander verknüpft (vgl. Abbildung 4). Amylopektin ist verzweigt und besteht aus 104-105 Glucosemoleküle. Neben der zusätzlich α-(1→4)-glycosidischen Verknüpfung hat dieses Molekül zusätzlich α-(1→6)-glycosidische Verbindungen. Stärke ist in Pflanzen die Form, in der Kohlenhydrate gespeichert werden. Der Vorteil besteht darin, dass zum einen die Aldehydgruppe vor Oxidation geschützt ist, zum anderen ist diese Form im Gegensatz zu Zuckern osmotisch unwirksam. Abbildung 4: Strukturausschnitt eines Stärkemoleküs (nur α-(1→ 4)-verknüpft) Versuch 1: Nachweis von Stärke Chemikalien: Iod, Kaliumiodid, Wasser (bidest.), Kartoffel Geräte: Tropfpipette Durchführung: Zur Herstellung der Lugolschen Lösung löst man 6 g Kaliumiodid und 4 g Iod in 100 mL Wasser. Für den Nachweis gibt man etwas der Iod-Kaliumiodid-Lösung auf eine halbierte, rohe Kartoffel. Beobachtung und Auswertung: Die Kartoffel verfärbt sich an den Stellen, die mit der Lugolschen Lösung in Kontakt getreten sind, blauschwarz. Ursache für diesen Farbeffekt ist Charge Transfer, der durch die Einlagerung von Polyiodid-Ionen in die Helix der Stärke bewirkt wird (vgl. Abbildung 5). Abbildung 5: Stärkehelix mit eingelagertem Polyiodid-Ion 4.1.3 Cellulose Cellulose ist ein unverzweigtes, lineares Polysaccharid, das aus bis zu 10.000 β-DGlucose-Molekülen besteht, die β -(1→4)-glykosidisch miteinander verbunden sind (vgl. Abbildung 6). Cellulose ist Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und ist dadurch eines der häufigsten organischen Moleküle. Die Cellulosemoleküle vernetzen sich untereinander zu fibrillären Strukturen, die in Wasser und den meisten organischen Lösungsmitteln unlöslich sind. Abbildung 6: Ausschnitt aus einem Cellulosemolekül Industriell genutzt wird Cellulose vor allem in der Papier- und Bekleidungsindustrie. Zudem hat Cellulose in der Baustoffindustrie Bedeutung und ist der Grundstoff zur Herstellung des Kunststoffs Cellophan. Versuch 2: Nachweis von Cellulose Chemikalien: Toilettenpapier, geriebene Karotten Geräte: Petrischalen, Tropfpipetten Durchführung: Die geriebenen Karotten werden im Trockenschrank getrocknet. Es werden nun einige Tropfen Zinkchloridiod-Lösung auf die Karottenraspel und das Toilettenpapier getropft. Beobachtung und Auswertung: Durch die Zinkchloridiod-Lösung kommt es zu einer tiefblauen Färbung der Karottenstücke und des Toilettenpapiers. Das Zinkchlorid bewirkt eine Quellung der Fasern, woraufhin sich die Polyiodid-Ionen zwischen den Fasern einlagern (vgl. Abbildung 7). Die Färbung wird durch Charge-Transfer verursacht. = Polyiodidionen Abbildung 7: Cellulosefaser mit eingelagerten Polyiodid-Ionen 4.1.4 Lipide Lipide werden in den Membranen des endoplasmatischen Reticulums gebildet. Im reifen Samen machen Lipide in etwa 45% des Trockengewichts aus. Fette und Öle sind wichtig als Nahrungsmittel für den Menschen, sind aber auch bedeutend als Rohstoffe in der Industrie. Versuch 3: Verseifung von Pflanzenölen Chemikalien: Muskatnuss (Pulver), zerstoßene Sonnenblumenkerne, KOH-Lösung (w = 0,3) Geräte: Reagenzgläser mit Stopfen, Bunsenbrenner Durchführung: Die Rundung zweier Reagenzglases wird mit Muskatnusspulver befüllt, zwei weitere mit zerstoßenen Sonnenblumenkernen. Je ein Reagenzglas beider Substanzen wird mit ca. 2 mL Kalilauge befüllt. In die anderen zwei Reagenzgläser wird statt der Lauge Wasser zugegeben. Die Reagenzgläser werden anschließend für ein paar Minuten im heißen Wasserbad erhitzt. Nach dem Abkühlen wird mit destilliertem Wasser aufgefüllt und geschüttelt. Beobachtung: In den Lösungen, die mit Kalilauge erhitzt wurden, ist eine starke Schaumbildung zu beobachten. Durch Schütteln der Substanzen mit Wasser entsteht hingegen kaum Schaum. Erläuterung: Eine Muskatnuss enthält zu 40% fette Öle, die auch als Muskatbutter bezeichnet werden. Der Hauptbestandteil ist das Triglycerid der Myristinsäure, welches in der Reaktionsgleichung dargestellt ist. Beim Erhitzen mit der Kalilauge werden die Fette verseift; es findet eine basische Esterhydrolyse statt. Dabei wird das Fettsäuretriglycerid in Glycerin und Fettsäureanionen gespalten. Reaktionsgleichung: O H2C O + C13H27 O HC O C13H27 O H2C O C13H27 + 3 KOH H2C OH HC OH H2C OH O + O - K 3 C13H27 Reaktionsmechanismus: Zunächst greift das Hydroxid der Lauge als starkes Nukleophil das Kohlenstoffatom der Estergruppe an. Das bindende π-Elektronenpaar wird zum Sauerstoffatom verschoben und es entsteht eine tetraedrische Zwischenstufe. Anschließend wird ein Alkoholat-Ion abgespalten und eine Carbonsäure, eine Fettsäure, wird gebildet. Das gebildete Alkoholat-Ion spaltet als stärkere Base das Proton der Carbonsäure ab. Dieser Schritt ist irreversibel und es entsteht ein Alkohol, das Glycerin. Das ebenfalls gebildete Carboxylat-Anion der Fettsäure ist durch Mesomerie stabilisiert. O O R C13H27 + OH (aq) O O O C13H27 R + OR (aq) OH C13H27 tetraedrische Zwischenstufe Ester O O + HOR + OR (aq) C13H27 OH C13H27 Carbonsäure Carboxylat R= Rest des Fettsäureglycerids Versuch 4: Nachweis von ungesättigten Fettsäuren Chemikalien: Bromwasser Natriumthiosulfat-Lösung (zur Sicherheit) Sonnenblumenöl Materialien: Demoreagenzglas Pipette O (aq) Alkohol OH Durchführung: Im Abzug arbeiten ! Man legt einige Milliliter Sonnenblumenöl in einem Demoreagenzglas vor. Nun gibt man etwas Bromwasser hinzu. Die Flüssigkeiten werden durch Schwenken miteinander vermengt. Beobachtung und Auswertung: Das vorher bräunliche Bromwasser entfärbt sich. Die Erklärung dafür ist, dass das elementare Brom bei der ablaufenden Reaktion verbraucht wird. Es lagert sich an die ungesättigten Doppelbindungen der Fettsäuren des Öles. Der Mechanismus ist vereinfacht an einer allgemeinen Doppelbindung aufgezeit: δ- Ungesättigte Fettsäuren: H δ+ Br H Br H H + Br2 (aq) Rx Rx Ry Ry π – Komplex Komple x H C Rx H Br + nucleophile + Br C (aq) anti-Addition H Br Rx H Br R y Ry Vicinale Dibromverbindung Bromoniumion Durch die nucleophile π-Elektronenwolke der Doppelbindung wird Br-Br-Bindung zunächst polarisiert und dann heterolytisch gespalten. Es bildet sich ein cyclisches Bromoniumion wobei die Bindungen von den C-Atomen zum Bromid-Ion länger sind als die Bindung der C-Atome selbst. Das entstandene Bromid-Anion greift das Bromoniumion von der dem Bromatom gegenüberliegenden Seite an. Dabei ergeben sich zwei Angriffsstellen für das Bromidion. Man erhält demzufolge über eine nucleophile Anti-Addition eine vicinale Dibromverbindung. 4.2 Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe Sekundärmetabolite haben offenbar keine direkte Funktion im Stoffwechsel und ihr Vorkommen beschränkt sich oft auf nur wenige Pflanzenspezies. Aus diesem Grund verwundert es nicht, dass es eine große Vielfalt und Anzahl an sekundären Pflanzeninhaltsstoffen gibt. Jede Pflanze bildet hunderte für sie charakteristische Inhaltsstoffe; die Tabakpflanze enthält sogar über 2000. Es sind bisher über 200.000 unterschiedliche von Pflanzen produzierte Verbindungen bekannt. Meist üben sie eine spezifische ökologische Funktion aus, wie das Anlocken von Insekten zur Pollenübertragung oder von Tieren zum Verzehr von Früchten zur Samenausbreitung. Natürliche Pestizide machen in manchen Pflanzen 10 % der Trockenmasse aus. Sie dienen oft der Abwehr von Pathogenen (z. B. Iridoide, Cannabinoide) oder Herbivoren (z. B. Tannine, Alkaloide, Cannabinoide) dienen. Zum Schutz vor UV-Strahlung und Starklicht bildet die Pflanze Farbstoffe wie Carotinoide, Flavonoide oder Anthocyane. Aber auch zum Anlocken von Bestäubern und Samenverbreitern (z. B. Monoterpene) sind sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe von Bedeutung. Suberin und Cutin sind Beispiele für Substanzen, die als Verdunstungsschutz dienen. Mechanische Festigung des Pflanzengewebes wird über Substanzen wie Lignin erreicht. Die große Bandbreite an Wirkungen, ist eine Möglichkeit, nach der Sekundärmetabolite systematisiert werden können. Oft steht auch die Struktur der Moleküle im Zusammenhang mit der Wirkung. Sekundärmetabolite können präformiert vorliegen, das heißt, dass sie vorsorglich gebildet und gespeichert werden. Die Bildung anderer muss erst induziert werden. Die Produktion wird erst durch den Bedarf eingeleitet. Ursache dafür können z.B. Fraßschäden sein, woraufhin die Pflanze Abwehrstoffe gegen Fressfeinde bildet. Sekundärmetabolite können nach ihrer ökochemischen Bedeutung eingeteilt werden: • Schutzstoffe: Sie schützen die Pflanze vor abiotischen Umgebungseinflüssen. • Lockstoffe: Durch sie wird die Befruchtung und die Samenverbreitung sichergestellt. • Speicherstoffe: Da sie oft Elemente wie Stickstoff und Schwefel enthalten, die häufig Mangelfaktoren darstellen, sind Speicherstoffe über die normale Energiespeicherung auch ein Depot an wichtigen Elementen. • Chemische Waffen • Allelopathica richten sich gegen pflanzliche Konkurrenten. • Durch Phytopatogene werden mikrobielle Schädlinge bekämpft. Diese lassen sich darin unterscheiden, ob sie bereits präformiert vorliegen (Phytopestizide) oder die Bildung erst durch Befall induziert wird (Phytoalexine). • Als Fraßschutz dienen flüchtige Schreckstoffe, durch welche Feinde auf Distanz gehalten werden. Bitterstoffe machen den Verzehr der Pflanze ungenießbar. Toxine verursachen schwere Gesundheitsschäden oder manche sogar den Tod. Hormonähnliche Wirkstoffe stören die Entwicklung, so dass die Vermehrung der Feinde beeinträchtigt wird. Im Folgenden werden die wichtigsten Sekundärmetabolite nach ihrer Struktur systematisiert und in ihrer Wirkung beschrieben. Die meisten sekundären Pflanzeninhaltsstoffe lassen sich einer der folgenden fünf Gruppen zuordnen: • Phenylpropanoide • Alkaloide • Terpenoide = Isoprenoide • Cyanogene Glykoside Grundstruktur: R1 R2 • N O Zucker Senfölglycoside Grundstruktur: Im Folgenden werden die ersten drei ausführlicher beschrieben. 4.2.1 Phenylpropanoide C3 Die Struktur der Phenylpropanoide ist abgeleitet von einem Benzolring mit einer C3Seitenkette. Phenylpropanoide stellen eine Vielzahl pflanzlicher Sekundärmetabolite und dienen als Zellwandbestandteil. Die Pflanze bildet sie aufgrund einer Vielzahl verschiedener Funktionen: Antibiotika, Signalsubstanzen zur Bildung von Symbiosen mit Pilzen, Lockmittel für Bestäuber, Schutz gegen UV-Licht, Isoliermaterial, um Zellwände gas- und wasserundurchlässig zu machen, Gerüstmaterial natürliche und vorkommende Pestizide. Beispiele sind Phenole, Flavonoide, Cumarine, Tannine und Lignin. Synthetisiert werden sie meist aus Phenylalanin, welches zu Makromolekülen polymerisieren kann. Lignin ist ein Beispiel für ein solches Makromolekül, welches nach Cellulose der zweithäufigste Naturstoff der Erde ist. Tannine (Gerbstoffe, engl. to tan = gerben) werden von vielen Pflanzen gebildet und kommen in besonders hoher Konzentration in Borken bestimmter Bäume (z.B. Eiche) und in Gallen vor. Über Wasserstoffbrücken zwischen Phenolgruppen und peptidische-NH-Gruppen sind Phenole an Proteine so fest gebunden, dass die Bindung durch Verdauungsenzyme nicht gespalten werden kann. Beim Gerben bindet Tannin an das Kollagen der Tierhäute und erzeugt so Leder, das von abbauenden Mikrooganismen nicht angegriffen werden kann. Wichtige Vertreter der Phenylpropanoide sind die Flavonoide. Das Absorptionsmaximum von Flavonen und Flavonolen liegt im UV-Bereich. Sie schützen so als Schirmpigment die Pflanze vor den schädigenden Auswirkungen ultravioletter Strahlung. Durch Bestrahlung mit UV-Licht wird vermehrte Flavonoidsynthese ausgelöst. Auch die Tannine (Gerbstoffe) sind von großer Bedeutung, sowie Lignin, Salizylsäure und Vanillin. Die Anthocyane zählen zu den Flavonoiden und sind Farbstoffe, die in Blüten, Blättern, Früchten und selten auch in Wurzeln vorkommen. Anthocyane bilden eine große Anzahl roter und blauer Blütenpigmente und werden in der Vakuole eingelagert. Durch ihre Attraktionswirkung (Blüten, Früchte) locken sie Tiere zur Bestäubung oder Samenausbreitung an. Weiterhin schützen sie die Photosystem durch ihre antioxidativen Eigenschaften vor negativen Lichteinflüssen. Anthocyane sind Farbstoffe, die in den Blättern, manchen Früchten und v.a. in Blüten zu finden sind. In den Blättern dienen sie vor allem dem Lichtschutz der Pflanzen. Charakteristisch für Anthocyane ist die Farbveränderung, die durch eine Änderung des pH-Wertes bewirkt wird. Die Farbveränderung der Blüten beim Verblühen geht zum Teil auf eine Änderung des pH-Wertes zurück. Dazu wird die Farbe der Pigmente durch eine Komplexbildung mit Metall-Ionen verändert. Versuch 5: Anthocyane als pH-Indikator OH OH O OH + O HO HO O O C6H11O5 C6H11O5 C6H11O5 Farbbase (violett, pH 7-8) Cyanin-Kation (rot, pH < 3) 4.2.2 Alkaloide N HO O O C6H11O5 O O OH- H+ O N O O C6H11O5 O C6H11O5 Farbstoff-Anion (blau, pH > 11) Alkaloide sind, wie der Name schon erahnen lässt, alkalische Sekundärmetabolite. Es befindet sich immer mindestens ein Stickstoffatome in einem Heterocyclus. Sie werden aus Aminosäuren gebildet und haben häufig eine ausgeprägte pharmakologische Wirkung. Bisher sind über 10 000 Alkaloide bekannt, die allerdings sehr vielfältige Strukturen aufweisen. Beispiele für bekannte Alkaloide sind Nicotin, Cocain, Morphin und Coffein. Coffein ist eines der ältesten vom Menschen genutzten Stimulanzien. Es ist der Hauptwirkstoff des Kaffees, kommt aber in über 60 Pflanzen, z.B. Teestrauch, Matebaum und Kolanuss, vor. Es gibt jedoch viele, eng verwandte, in zahlreichen Pflanzen vorkommende Wirkstoffe, wie z.B. Theophyllin und Theobromin. Versuch 6: Nachweis von Coffein Chemikalien: Coffein, Salzsäure (konz.), Ammoniak (konz.), Wasserstoffperoxid (w = 0,3) Geräte: Porzellanschale, Kristallisierschale, Tropfpipetten, beheizbarer Magnetrührer Durchführung: Man gibt in die Porzellanschale eine Spatelspitze Coffein. Die Schale wird vorsichtig in eine mit siedendem Wasser gefüllte Kristallisierschale gestellt. Dann tropft man 1-2 Tropfen Wasserstoffperoxid und 1-2 Tropfen Salzsäure hinzu und dampft die Flüssigkeit ein. Nun wird noch 1-2 Tropfen Ammoniak dazu gegeben, der auch wieder eingedampft wird. Entsorgung: Die Schalen werden mit einem Stück Toilettenpapier sauber gemacht, welches man in die Feststofftonne entsorgt. Beobachtung und Auswertung: Nach Zugabe des Ammoniaks entsteht eine purpurviolette Färbung. Zunächst wird das Coffein durch Oxidation der Methylgruppen zu Xanthin umgesetzt: O H3C O CH3 N N + O N N 6 H2O 2 N N H H + O + 3 H2 H Coffein + 6 H2O N N CH3 3 CO 2 Xanthin Die Methylgruppen werden dabei schrittweise oxidiert. Zunächst wird eine Hydroxidgruppe gebildet, die weiter zum Aldehyd und dann zur Säure oxidiert. Abschließend wird Kohlenstoffdioxid abgespalten: R1 R1 R2 N + H2 O 2 N R2 - H2 O R1 - H2 N H2C CH3 HC OH R1 + H2 O 2 R2 N O R1 R2 N - H2 O C HO O R2 H Xanthin wird dann unter Säurekatalyse hydrolysiert: + CO 2 O HN O O H N N H O NH H2O O O H HN O NH2 N H O O N H NH H NH + H2O; H NH HN <H+> N H H H HN -NH4+ O O N H O Mechanistisch verläuft der erste Schritt der Reaktion wie folgt: O O H N HN O N H + H+ O H N HN O N N H H O N H O N H H N H + HN + H+ O N H N H O NH2 Im zweiten Schritt findet eine Imin-Enamin-Tautomerie statt: O O NH NH HN HN O O N H NH2 H O O NH N H HN + HN O H N OH H O - H+ H2O O H N - H+ + N H O H N O HN + N O HN H N O O N H NH N H N H H Im letzten Schritt wird das Imin hydrolysiert. Der Mechanismus verläuft analog zur ersten Hydrolyse. Nach weiterer Oxidation, diesmal an der endständigen Ketogruppe und des daraus entstanden Amins, folgt die Hydrolyse des Imins, wodurch Aloxan entsteht: O H O NH H H2O2 HN O O N H HN - H2O; -CO2 O H O N H NH2 H2O2 O - 2 H2O Uramil O O NH + H2O; H+ HN O N H O HN - NH4+ O O N H O Aloxan Uramil besitzt eine Ketogruppe, die zur Enol-Form tautomerisieren kann. Diese EnolForm des Uramils und Aloxan reagieren nun unter Abspaltung von Wasser (Kondensationsreaktion) zur Purpursäure: O O O H2N HN O N NH HN + O N H O HO N H O O - H2O O NH N H O HO N H O Durch Zugabe von Ammoniak entsteht das Ammoniumsalz der Purpursäure: Murexid. O O O N HN O N H OH O N H N + NH3 NH O O HN O + NH4 NH N H - O O N H O 4.2.3 Isoprenoide Der Grundbaustein ist Isopren, der sich von Isopentenylpyrophosphat ableitet. Sie sind sowohl im primären, als auch im sekundären Stoffwechsel von Bedeutung. Eine große wirtschaftliche Bedeutung erreichten Isoprenoide als Aromastoffe in Nahrungsmitteln, Getränken und Kosmetika, als Vitamine (A, D, E), als natürliche Insektizide (z.B. Pyrethrin), als Lösungsmittel (z.B. Terpentin) und als Kautschuk und Guttapercha. Auch als Pharmaka oder zur Herstellung solcher fanden sie Verwendung. Bekannte Isoprenoide sind weiterhin Menthol, Limonen, alpha- und beta-Pinen und die Carotinoide. Letztere werden anschließend noch etwas näher erläutert. Isopreonoide (Terpenoide) sind in ihrem Vorkommen nicht nur auf Pflanzen beschränkt, sondern kommen in allen lebenden Organismen vor. Allerdings sind sie in Pflanzen in außergewöhnlicher Vielfalt enthalten (1997 waren bereits über 23 000 bekannt). Isoprenoide haben Bedeutung im primären Stoffwechsel als Bausteine von Membranen, Photosynthesepigmente, Elektronentransportüberträger, Wuchsstoffe und Pflanzenhormone, sowie im sekundären als Bestandteil von Harzen, Milchsaft, Wachsen und Ölen. In ihrer Funktion als sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe bewirken sie, dass die Pflanze oder Pflanzenteile giftig oder ungenießbar wird, wirken als Antibiotika oder haben eine Lockfunktion als Pigment- oder Duftstoff von Blüten oder Früchten. Von der chemischen Seite aus betrachtet sind Isoprenoide sehr stabile Substanzen. Deshalb findet man fossile Isoprenoide in größeren Mengen in praktisch allen Sedimentgesteinen, sowie in Erdöl. Carotinoide sind lineare Tetraterpene mit ungefähr 40 C-Atomen. Sie enthalten zahlreiche Doppelbindungen und sind demnach mehrfach ungesättigt. Neben den Chlorophyllen sind sie bedeutende Photosynthesepigmente und sind damit zum Einfangen des Lichtes notwendig. Sie kommen in allen photosynthetisch aktiven Organismen vor und absorbieren Licht der Wellenlänge 400 bis 500 nm, wodurch sie ihre charakteristische gelbe bis orange Farbe erhalten. Carotinoide leiten die von ihnen absorbierte Lichtenergie an die Chlorophylle weiter, weshalb sie als akzessorische Pigmente bezeichnet werden. Die über Proteine in die Thylakoidmembran integrierten Carotinoide haben neben ihrer Funktion als akzessorische Pigmente auch Bedeutung als Lichtschutzmittel, da sie z.B. den Triplett-Zustand des Chlorophylls quenchen und somit die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies unterdrücken können. Daneben sind Carotinoide in Pflanzen häufig als Farbstoff in Blüten und Früchten zu finden. Manchmal finden sich auch Anreicherungen in der Wurzel, wie es z.B. bei der Karotte der Fall ist. Für den Menschen ist ein Carotinoid von besonderer Bedeutung, das β-Carotin. Es ist die Ausgangssubstanz für die Synthese des Sehpigments Rhodopsin und wird daher als Provitamin A zu einem essentiellen Bestandteil der menschlichen Ernährung. Carotinoide unterteilen sich in Carotine, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, und Xanthophylle, die zudem Sauerstoff enthalten. Abbildung 8: Struktur von -Carotin OH OH Abbildung 9: Struktur von Zeaxanthin Demo 2: Extraktion von Carotinoiden Chemikalien: n-Heptan, Möhre, rote Paprika Geräte: Demonstrations-Reagenzgläser mit Stopfen, Gemüsereibe Durchführung: Die Möhre und die Paprika werden grob gerieben und in je ein Reagenzglas gegeben. Dann wird n-Heptan zugegeben, das Reagenzglas wird mit einem Stopfen verschlossen und vorsichtig geschüttelt. Das gelblich-orange gefärbte Heptan wird jeweils in ein weiteres Reagenzglas abdekantiert. Auswertung: In dem untersuchten Gemüse sind die Carotinoide β-Carotin, Lycopin bzw. Zeaxanthin enthalten. Alle Strukturen sind lipophil und lassen sich gut mit dem unpolaren Lösungsmittel Heptan extrahieren. 5 Schulrelevanz • Chemie LK/GK 11G.1: Alkansäuren und ihre Derivate • Chemie LK/GK 11G.2: Naturstoffe (Fette, Kohlenhydrate) • Biologie 7G.3: Fotosynthese und Zellatmung • Biologie LK/GK 11G.1: DNA 6 Literaturverzeichnis Heldt S., Piechulla B. (2008). Akademischer Verlag, Heidelberg Pflanzenbiochemie, 4. Auflage, Spektrum Strasburger E., Neuhaus G., Körner C., Sonnewald U. (2008). Lehrbuch der Botanik, 36. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg Taiz L., Zeiger E. (2000). Physiologie der Pflanzen, 1. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg/Berlin Besucherlabor Deutsches Museum, Handout zum Versuch DNA-Isolierung aus Früchten Online: http://www.lmc.uni-karlsruhe.de/109.php http://www.biokurs.de/skripten/12/bs12-12.htm http://www.55plusmagazin.net/php/schutz_vor_sonnenbrand_betacarotin,13335,15258.html http://www.gesundheitpro.de/wub/j/image_preview.jsp?paragraph_id=V070620OSC0 R250580&preview_media_id=M060911PUBAP028310 http://www.blumeninschwaben.de/Zweikeimblaettrige/Rachenbluetler/fingerhut.htm http://bambus-muenchen.de/seiten/hauptseite/bambus3a.gif http://www.t-knopf.de/Projekt3/assets/images/DNA_Helix.jpg http://www.bs-wiki.de/mediawiki/images/Amylose-Wendel.JPG http://sci.waikato.ac.nz/farm/images/cellulose%20structure%20RF.jpg http://www.jip.thueringen.de/awo_xxl/rauchen/Tabak.jpg http://www.medienwerkstatt-online.de/lws_wissen/bilder/1955-1.jpg http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Bild:BaumwollErntemaschine.jpeg&filetimestamp=20041213090541 http://www.fsbio-hannover.de/oftheweek/257/Zelle_small.jpg
