Phytochemie P. Braun / H. Scheer WS 2007 / 2008

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1 Phytochemie P. Braun / H. Scheer WS 2007 / 2008

2 Inhalte Vorlesung Donnerstags 11:30 – 13:00, Kl. Hörsaal Botanik Pflanzentypische Stoffwechselwege Tetrapyrrole, Isoprenoide, Flavonoide Acetogenine, Alkaloide Lipide Prinzipien der Isolierung und Strukturaufklärung Abschlussklausur Donnerstag, :30 Fragen zur Vorlesung Zugangsberechtigung zum Praktikum Praktikum 10. – , ganztägig, Vorbesprechung , 12:30, Kl. Hörsaal Isolierung von Pflanzeninhaltsstoffen Selbständiges Arbeiten nach Vorschrift (Anleitung, Bücher) Seminare jeweils Freitags Klausur nur bei Bedarf

3 Lehrbücher zur Phytochemie
Klassische Biochemie Lehrbücher (Stryer, Voeth & Voeth, Lehninger) Heldt: Pflanzenbiochemie, Spektrum Verlag (2003) Richter: Biochemie der Pflanzen, Thieme, Stuttgart (2002) Buchanan, Gruissem & Jones (2000). Biochemistry and Molecular Biology of Plants. Amer. Soc. Plant Physiol. Rockville, Md. Beispiele, es gibt mehr, ganze Lexika über Stoffklassen

4 Wichtige Stoffklassen
Tetrapyrrole Isoprenoide >22.000 Terpene Carotinoide Sterole Gibberelline Polyprenoide Phenylpropanoide >5.000 Flavonoide Stilbenoide Monolignole Alkaloide >10.000 Beispiele, es gibt mehr, ganze Lexika über Stoffklassen

5

6 Anaplerotic reactions

7 Aminosäure Biosynthesen - Übersicht
, Tetrapyrrole

8 Tetrapyrrole Strukturen Funktionen Mg – Tetrapyrrole -Lichtsammlung
Cyclische Tetrapyrrole Lineare Tetrapyrrole Funktionen Fe – Tetrapyrrole -Redoxreaktionen O2 –Transport Oxigenierungen Mg – Tetrapyrrole -Lichtsammlung Energietransduktion Redoxreaktionen Co – Tetrapyrrole - C – Gerüstumlagerungen Methylierungen Ni – Tetrapyrrole - Methan-Bildung Biosynthese - -Aminolävulinsäure Protoporphyrin IX Modifikationen und Metallierungen Ringöffnung Abbau - Ringöffnung Folgereaktionen Spektroskopie Tetrapyrrole

9 Häm-Typen: I Endoxidase Atmungskette Hämoglobin Peroxidasen
In der Regel Biosynthese über Proto, Ausnahme: Häm aus Clostridien, dort C-2 und C-7-CH3 aus SAM, d.h. evtl. über B12 Weg Hämoglobin Peroxidasen Cytochrom P450 Cytochrom c Cytochrom f

10 Häm-Typen: II Nitrit – Reduktase Sulfit – Reduktase
(1 e- - Reduktion zu NO) Sulfit – Reduktase Nitrit – Reduktase (6 e- - Reduktion zu NH3)

11 Chlorophylle vom Porphyrin – Typ (Chl c)
Vorkommen: Braunalgen, Dinophyten, nur für Antennen

12 Absorptionsspektren der Chlorophylle

13 Chlorophylle vom Chlorin – Typ: Oxygene Photosynthese
Acaryochloris und einige Epi-Rhodophyten haben Chl d. a/d RC + Antennen, Phe a/d RC, alle anderen Antennen

14 Chlorophylle vom Chlorin – Typ: Anoxygene Photosynthese (Grüne Bakterien)
Antennen, bis < 1 Lux, d.h. 1/ vom Tageslicht, Leuchten schwarzer Raucher, tiefes Oberflächenwasser Schw.Meer

15 Chlorophylle vom Bakteriochlorin – Typ: Anoxygene Photosynthese
Antennen und RC, g nur in Helios. In einigen Bakterien Zn als Zentralmetall (säurebeständiger als Mg) As a rule, M = Mg, in Acidiphilium rubrum M = Zn

16 Andere Metallo – Tetrapyrrole
Ni auch in Tunichlorinen Methyl-CoM - Reduktase Methyltransferasen, Isomerasen (z.B. Methyl-Malonyl-CoA Succinyl-CoA)

17 Andere cyclische Tetrapyrrole I
Tolyporphine Cyanobakterien (Tolypothrix) (Schutzpigmente ?) Zn-BChl a Purpurbakterien (Acidiphilium) Photosynthese

18 Andere cyclische Tetrapyrrole II
Tunichlorine: Ni – Chlorine, wahr- scheinlich Schutzpigmente (Tunicaten) Bonnelin: Pyropheophorbid – Derivat, geschlechtsbetimmend (Bonella viridis, mariner Wurm) Namenlos: Pyropheophorbid – Derivat, Sehpigment in Tiefseefisch Melanocosteus niger

19 Lineare Tetrapyrrole

20 Biosynthese der Tetrapyrrole - Übersicht
C4-Weg anmalen, Shemin Experiment erklären (14C), erfolglose suche Beale in Pflanzen > C5

21 C5-Weg der ALA - Synthese
Figure 1 a) b) glutamyl-tRNA NADPH NADP+ COOH H2N O N NH2 OH CH2 tRNA tRNAGlu GluTR GSA H ALA GSAM PLP/PMP glutamycin C5-Weg der ALA - Synthese Sieht ganz einfach aus, hat es aber in sich. a) tRNA involviert, b) GSA extrem labil (aus Jahn, 2003)

22 Komplex der tRNAGlu mit:
Glu-tRNA-Synthetase (GluRS) Glu-tRNA-Reduktase (GluTR) tRNAGlu tRNAGlu a b as as 2 2 n d d g acs acs 1 3 ac ac 1 s 4 GluRS GluTR 3 5 as: Aminosäure-Bindungsstelle ac: Anticodon acs: Anticodon Stamm g Glutamycin n: NADPH-Bindungsstelle s: Rückgrat Helix (aus Jahn, 2003)

23 Glu-tRNA-Reduktase aus Methanopyrus kandleri
Jahn et al, Fig. 4: Glu-tRNA-Reduktase aus Methanopyrus kandleri s 1 g a n 3 2 2 n 3 g s 1 n n b s s 2 2 g g g: Glutamycin n: NADPH s: Rückgrat Helix 1 1 3 3 (aus Jahn, 2003)

24 ALA C5-Weg: Modell für Substrate Channeling
tRNAGlu GluTR GSAM ALA C5-Weg: Modell für Substrate Channeling ALA-Synthese (C5-Weg): Modell für Substrate Channeling Glu-Semialdehyd- 2,1-Aminomutase (grau/weiss) Glu-tRNA-Reduktase (grün/gelb) Glu-tRNA (blau) (aus Jahn, 2003)

25 5-Aminolevulinsäure und Porphobilinogen

26 Von Porphobilinogen zum Corpoporphyrinogen III

27 13C – Markierung Chl a 20 10 5 15

28 13C–13C – Kopplungen in Chl a
 [ppm]

29 Vom Coproporphyrinogen III zum Protoporphyrin IX

30 F. Meyer-Betz : Ein Selbstversuch (1912)
Schwellungen nach intravenöser Injektion von 0,2 Gramm Hämatoporphyrin (einem Verwandten des Chlorophylls und des Blutfarbstoffs) und anschließendem Aussetzen ans Sonnenlicht. Dr. Meyer-Betz, der diesen Selbstversuch am durchgeführt hatte, war noch Anfang Dezember Lichtempfindlich, erst im Frühjahr 1913 war er wieder völlig desensibilisiert. H. Scheer, 9/05

31 Porphyrie: Die königliche Krankheit
Georg III (1738 – 1820) König Georg III von England und König Friedrich Wilhelm I von Peußen litten unter Porphyrie, bei der der Stoffwechsel des Blutfarbstoffs gestört ist. Durch die angehäuften Porphyrine werden die Patienten lichtempfindlich, sie führt außerdem zu schweren Störungen im Gehirn. Ihre Krankheit war genetisch bedingt und lässt sich über mehrere Generationen verfolgen. Auch bei Graf Dracula wird eine Porphyrie als Ursache der Lichtscheu und des Blutbedarfs vermutet H. Scheer, 9/05

32 Porphyrie: Ursachen Porphyrien können genetisch bedingt sein, oder durch Umwelteinflüsse hervor gerufen (z.B. Schwermetalle). Sie können auch dadurch verstärkt werden. So nimmt man an, dass die Krankheit bei Georg III besonders schwer war, weil er mit (Arsen-haltigem) Antimon behandelt wurde. Der Münchener Porphyriker Petri hat jahrelang seinen rotweinfarbenen Urin (rechts im Glas) der Arbeitsgruppe von Prof. Hans Fischer zur Verfügung gestellt, und damit zur Strukturaufklärung des Blutfarbstoffs beigetragen. H. Scheer, 9/05

33 Vom Protoporphyrin IX zu Proto-Häm und Chlorophyll a

34 Die verschiedenen Chlorophylle
Porphyrine (ungesättigt) Chlorine (Dihydro) Bacteriochlorine (Tetrahydro)

35 Absorptionsspektren der Chlorophylle

36 Vom Häm zu den Gallenfarbstoffen und Biliproteinen
PEB-Oxidoreductase CO Heme-Oxigenase PCB-Oxidoreductase PcyA Phycobilin-Lyasen CpcE, F, S,T,U,V Vom Häm zu den Gallenfarbstoffen und Biliproteinen

37 Photosynthetische Einheit

38 Phytochrom

39 Insektenbiline

40 Conformation and charge control absorption

41 Phycobiline: Nativ

42

43 Phycocyanin fluorescence
nativ denatured renatured boarder Phycocyanin fluorescence Conformational mobility controls fluorescence

44 Spontaneous chromophore addition to PhyA from Anabaena PCC7120
IQPHGV

45 a84: faulty binding ß84: faulty binding ß155: unclear E/F-type lyase
Chromophore ligation Autocatalytic Catalytic a84: faulty binding ß84: faulty binding ß155: unclear E/F-type lyase S/U/V lyases T-lyase

46 (Cys-a84 specific) Lyase-only type PCB:a-CPC - Lyase Isomerising lyase
E/F – Type Lyases (Cys-a84 specific) Lyase-only type PCB:a-CPC - Lyase Isomerising lyase PVB:a-PEC - Lyase

47 Isoprenoide: Übersicht

48 Isoprenoide höherer Pflanzen
Aus Heldt, Pflanzenbiochemie; Spektrum Verlag

49 Dolicholphosphat (aus Stryer, Biochemistry, 2002)
Cytoplasma ER-Lumen

50 Carotinoide: Endgruppen

51 Einige Carotinoide

52 Carotinoide: Spektroskopie II
15-20 nm pro konjugierte Doppelbindung, aber: Geht gegen Grenzwert!

53 Carotinoide: Spektroskopie I
Cis-Bande

54 Carotinoide: Spektroskopie III
Erklären: pi-pi-Stern, n-pi-Stern, konformationelle Heterogenität, Zeitskalen, seltsame Carotinoid-Niveaus

55 Alternative Wege zum IPP
Fe4S4 Alternativer Weg: 1. Schritt ist Ketolase-ähnlich, Zwischenprodukt ist Hydroxyethyl-TPP

56 Inhibitor des Mevalonat - Wegs

57 Mevalonat- und Deoxyxylulose-Weg: Markierungen aus Glucose
GAP Pyr Acetyl-CoA Mevalonat - Weg Acetyl-CoA Deoxyxylulose- Weg C1 und C2-labels vertauscht. Theorie: 100% Label, Praxis: Eichung notwendig Pyr GAP Aus Eisenreich et al., 2004

58 Abschätzung von Markierungsraten aus 1-13C-Glc
Leu-C2 stammt aus Acetyl-CoA Val-C4 stammt aus Hydroxyethyl-TPP (= Pyruvat) 1-13C-Glc wird gefüttert, dann Leu (> Acetyl-CoA), Val (Pyruvat) und Tyr (GAP + Pyr) isoliert und 13-Anreicherung bestimmt (NMR und Masse) Tyr-C3 stammt aus Pyruvat und GAP Aus Eisenreich et al., 2004

59 Markierungsvergleich
Aus Eisenreich et al., 2004

60 Produkte des Deoxyxylulose-Wegs (1)
Aus Eisenreich et al., 2004

61 Produkte des Deoxyxylulose-Wegs (2)
Aus Eisenreich et al., 2004

62 Phylogenie der Isoprenoid-Biosynthesewege
Deoxy-Xylulose-Weg Mevalonat-Weg Archaea Bakterien Aquifales Chlamydien Cyanobakterien B. subtilis Deinococcus Staphylococcus Streptomyces E. coli Borrelia Listeria Tiere Pflanzen (Plastid) + Hefen Protozoen Plasmodium

63 2C-Methyl-D-erythritol-4-phosphat-synthase als Antimalaria-Target
NADPH NADP Fosmidomycin FR Inhibitoren

64 Analyse von Gerüstumlagerungen
Aus Eisenreich et al., 2004

65 Kettenverlängerung

66 Symmetrische Kondensation

67 Squalenepoxid-Mutase
Lanosterin

68 Carotinoide

69

70 Shikimatweg Pflanzen Pflanzen

71 Phenylpropanoide in Pflanzen
Aus G. Michal: Biochemical Pathways, Wiley, 1999

72 Lignin Aus D.E.Metzler: Biochemistry Academic Press, 2003

73 Einige Stilbene und Flavonoide

74 pH-Effekt bei Anthocyanen

75 Metallkomplexe von Anthocyanen
Aus Wikipedia

76 Wikipedia Abbildung von User Chris 73, frei verfügbar unter under thze creative commons cc-by-sa2.5 licenceschriftfarbe

77 Funktionen Lichtschutz a) Passiv UV- und Blau-Absorption Flavonoide b) Aktiv Quencher von Radikalen (wasserlöslich) Lock-Pigmente Blütenfarben Anthocyane Abwehr a) Bakterizide, Fungizide, Viruzide Lignane (a,b) b) Fraßgifte Stilbene (a) c) Schlechter Geschmack Cumarine (a,b,d) d) Phototoxizität Flavonoide (a) (z.B. Hemmung Mitose, PDase, Atmung, Störung Tannine (a,b) des Hormonhaushalts, Proteinbindung) Festigung Druckstabile Strukturen, zusammen mit Lignin zugstabiler Cellulose Verbundwerkstoff Sperrschichten Gas- und Wasser-undurchlässig Suberin, Cutin

78 Modularer Aufbau von Polyketiden: II

79 Modularer Aufbau von Polyketiden: 1
Aus D.E.Metzler: Biochemistry Academic Press, 2003 AT: Acyltransferase ACP: Acyl-carrier KS: Ketoacyl- Synthase KR: Ketoreductase DH: Dehydratase ER: Enoylreductase TE: Thioesterase

80 Polyketide: Urushiol Aus D.E.Metzler: Biochemistry
Academic Press, 2003

81 Polyketide: Diverse Aus D.E.Metzler: Biochemistry Academic Press, 2003

82 Polyketide: Tetracyclin
Aus D.E.Metzler: Biochemistry Academic Press, 2003

83 Polyketide: Griseofulvin
Aus D.E.Metzler: Biochemistry Academic Press, 2003