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

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, 7.2.08 11:30 Fragen zur Vorlesung Zugangsberechtigung zum Praktikum Praktikum 10. – 15.3.08, ganztägig, Vorbesprechung 7.2.2008, 12:30, Kl. Hörsaal Isolierung von Pflanzeninhaltsstoffen Selbständiges Arbeiten nach Vorschrift (Anleitung, Bücher) Seminare jeweils Freitags Klausur nur bei Bedarf

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

Wichtige Stoffklassen Tetrapyrrole 150 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

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Anaplerotic reactions

Aminosäure Biosynthesen - Übersicht , Tetrapyrrole

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

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

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

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

Absorptionsspektren der Chlorophylle

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

Chlorophylle vom Chlorin – Typ: Anoxygene Photosynthese (Grüne Bakterien) Antennen, bis < 1 Lux, d.h. 1/100.000 vom Tageslicht, Leuchten schwarzer Raucher, tiefes Oberflächenwasser Schw.Meer

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

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

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

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

Lineare Tetrapyrrole

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

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)

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)

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)

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)

5-Aminolevulinsäure und Porphobilinogen

Von Porphobilinogen zum Corpoporphyrinogen III

13C – Markierung Chl a 20 10 5 16 4 9 15

13C–13C – Kopplungen in Chl a  [ppm]

Vom Coproporphyrinogen III zum Protoporphyrin IX

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 14.10.1912 durchgeführt hatte, war noch Anfang Dezember Lichtempfindlich, erst im Frühjahr 1913 war er wieder völlig desensibilisiert. H. Scheer, 9/05

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

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

Vom Protoporphyrin IX zu Proto-Häm und Chlorophyll a

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

Absorptionsspektren der Chlorophylle

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

Photosynthetische Einheit

Phytochrom

Insektenbiline

Conformation and charge control absorption

Phycobiline: Nativ

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

Spontaneous chromophore addition to PhyA from Anabaena PCC7120 IQPHGV

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

(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

Isoprenoide: Übersicht

Isoprenoide höherer Pflanzen Aus Heldt, Pflanzenbiochemie; Spektrum Verlag

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

Carotinoide: Endgruppen

Einige Carotinoide

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

Carotinoide: Spektroskopie I Cis-Bande

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

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

Inhibitor des Mevalonat - Wegs

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

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

Markierungsvergleich Aus Eisenreich et al., 2004

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

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

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 +

2C-Methyl-D-erythritol-4-phosphat-synthase als Antimalaria-Target NADPH NADP Fosmidomycin FR 900098 Inhibitoren

Analyse von Gerüstumlagerungen Aus Eisenreich et al., 2004

Kettenverlängerung

Symmetrische Kondensation

Squalenepoxid-Mutase Lanosterin

Carotinoide

Shikimatweg Pflanzen Pflanzen

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

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

Einige Stilbene und Flavonoide

pH-Effekt bei Anthocyanen

Metallkomplexe von Anthocyanen Aus Wikipedia

Wikipedia Abbildung von User Chris 73, frei verfügbar unter http://commons.wikimedia.orf/wiki/image:Urakuen_tea_garden_03.jpg under thze creative commons cc-by-sa2.5 licenceschriftfarbe

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

Modularer Aufbau von Polyketiden: II

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

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

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

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

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