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17.Biomoleküle:Lipide,Terpene,Steroide,Alkaloide

Eine grosse Anzahl von Naturstoffen ist wasserunlöslich oder wenig wasserlöslich, löst sich jedoch in Ether oder anderen unpolaren Lösungsmitteln. Zu den wichtigsten dieser Substanzen gehören die Lipoide ("Fette"), die Terpene und die Steroide. 17.1Lipide,Fette,fetteÖle Unter dieser Bezeichnung werden die Fette, die "fetten Öle", die Wachse und die Phospholipoide zusammengefasst. Es handelt sich bei ihnen um Verbindungen, die sowohl im Pflanzen- wie im Tierreich weit verbreitet sind, und die alle Ester höherer Carbonsäuren sind. Ester langkettiger Carbonsäuren und Alkohole sind die Hauptbestandteile der tierischen und pflanzlichen Wachse, z.B.

Die pflanzlichen und tierischen Öle und Fette sind Triester des 1,2,3-Propantriol (Glycerol) :

Man bezeichnet sie auch als Triglyceride. Zwischen Fetten und Ölen besteht chemisch kein Unterschied; Fette sind bei Raumtemperatur fest. Öle enthalten gewöhnlich einen höheren Anteil von ungesättigten Fettsäuren. Sie lassen sich durch katalytische Hydrierung in feste Fette überführen. Einige der natürlich vorkommenden Fettsäuren sind unten angegeben :

Ungesättigte Fettsäuren haben normalerweise einen tieferen Schmelzpunkt als voll gesättigte Fettsäuren. Eine sehr wichtige Naturstoffeklasse wird ausgehend von Arachidonsäure biosynthetisiert:

CH3 (CH2)n CO

O (CH2)m CH3

CH2

CHOHOH

CH2OH

CH2

CHOO

CH2 O

OROROR

3 RCOOH

Strukturen der Fettsäuren

Name C-Atome Struktur Schm.P. oC

GesättigteLaurinsäure (Lauric acid) 12 CH3(CH2)10COOHMyristinsäure (Myristic acid) 14 CH3(CH2)12COOHPalmitinsäure (Palmitic acid) 16 CH3(CH2)14COOHStearinsäure (Stearic acid) 18 CH3(CH2)16COOHArachinsäure (Arachidic acid) 20 CH3(CH2)18COOH

UngesättigtePalmitoleinsäure (Palmitoleic acid) 16 CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH (cis)Oleinsäure (Oleic acid) 18 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH (cis)Ricinolsäure (Ricinoleic acid) 18 CH3(CH2)5CH(OH)CH2CH=CH(CH2)7COOH (cis)Linolsäure (Linoleic acid) 18 CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH (cis,cis)Arachidonsäure (Arachidonic acid) 20 CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH (cis)

4458637075

3245-5-50

2

Die Prostaglandine, Thromboxane sowie Prostacyclin steuern eine bemerkenswerte Vielfalt physiologischer Funktionen, darunter die der Drüsen, und Nerven, die Fortpflanzung, Verdauung, Atmung, die Aggregation der Blutplättchen, sowie die die Funktionen des Herz-, Kreislauf und Nierensystems. Die Biosynthese dieser Metaboliten wird durch Aspirin und andere Nichtsteroidale Antirheumatika (Non-steroidal antiinflammatory drugs, NSAIDs) inhibiert.

Kocht man Fette mit Hydroxid- oder Carbonatlösung, so entstehen die Alkalisalze der Fettsäuren (Seifen) :

Ein grosser Teil der Seife wird auch heute noch durch Sieden von Fetten mit wässerigen Lösungen von NaOH hergestellt. Das Produkt wird nach beendeter Verseifung durch Zusatz von Kochsalz ausgefällt. Die reinigende Wirkung der Seife beruht auf der besonderen Struktur von der Seifen-Moleküle. Ein Ende des Moleküls enthält eine hydrophile, negativ geladene und wasserlösliche -COO- Gruppe, das andere Ende lange aliphatische hydrophobe und wasserunlösliche Kohlenstoff-Kette. Da in diesem Molekül eine lange hydrophobe Fettsäurekette und eine polare Kopfgruppe enthalten sind, können sie in wässeriger Lösung Micellen bilden:

COOH

Me

Arachidonsäure

HO

HO

Prostaglandine, z.B. COOH

C5H11

OH

Prostaglandin F2α

O

OCOOH

C5H11

OH Thromboxan A2

O

HO

COOH

C5H11

OHProstacyclin

Thromboxane, z.B.

CH2CH

O

O

CH2 O

O

RO

RO

R

H2O, NaOH

micellepolar KopfgruppeLipid-Schwanz

PhospholipideBilayer

3 Seifen-Moleküle bedecken auch kleinere Fetttröpfchen an der Oberfläche mit einem dünnen Film von Seifen-Anionen, wobei die lipophilen Ketten wiederum gegen das Innere des Fettes gerichtet sind. Damit werden aber die Fetttröpfchen elektrisch aufgeladen und stossen sich gegenseitig ab, so dass sie nicht zusammenfliessen, sondern eine im Wasser haltbare Emulsion bilden. Calcium- und Magnesiumsalze von Fettmolekülen sind im Wasser schwer löslich und fallen aus (Verkalken elektrischer Geräte wie Waschmachinen usw.).

SDS = Heutzutage werden synthetische Detergenzen verwendet, die solche wasserunlösliche Metallsalze nicht bilden (z.B. SDS). Wachse und Fette gehören zu den Lipiden. Sie dienen als "Brennstoff" und Energiedepot und sind Bestandteile biologischer Membranen. Eine wichtige Klasse von Membranlipiden sind die Phospholipide, Di- und Triester, in denen Alkohole mit Carbonsäuren und Phosphorsäure verestert sind. In den Phosphoglyceriden ist ein Molekül Glycerin mit zwei Fettsäuremolekülen in Nachbarstellung sowie einer Phosphat-Einheit verestert, an die noch ein weiterer Alkoholsubstituent wie Cholin oder Ethanolamin gebunden ist, z.B.:

Die wichtigsten Phosphoglyceride heissen Lecithin und Kephalin Phosphoglyceride können nicht nur Micellen sondern auch Schichte bilden, in der immer 2 Lipid-Moleküle einander gegenüber liegen. Man bezeichnet sie als Lipid-Doppelschicht:

Diese Eigenschaft ist sehr bemerkenswert, denn die Grösse von Micellen ist gewöhnlich begrenzt (Durchmesser < 200 Å). Diese Doppelschichten können 1 mm Länge erreichen. Sie sind daher die idealen Bausteine für Zellmembranen, die als durchlässige Barrieren zur Regulierung des Molekültransports in und aus der Zelle fungieren. Eine dritte Hauptgruppe von Phospholipiden bilden die Sphingolipide, die besonders häufig im Nerven -Gewebe vorkommen. Diese Lipide haben ein kompliziertes Dihydroxyamin als Rückgrat :

O S OO

O

Na

R1 CO

O CH

CH2

CH2

O C

O

R

O PO

OOR2

CH2 CH2 NMe3

CH2 CH2 NH3

R2 =

R2 =

R, R1 = gesättigt / ungesättigte Fettsäuren

R1CO

O

CHCH2 CH2

O

O

R

O P

O

OO CH2CH2-NH3

4

17.2Terpene Seit dem Altertum werden aus zahlreichen Pflanzen, wie z.B. Eucalyptus, Pfefferminz, Lemongras, Zitronenbaum, Thymian usw. mehr oder weniger stark flüchtige Öle von intensivem, meist angenehmem Geruch gewonnen. Ursprünglich wurden die zerkleinerten Pflanzenteile direkt destilliert, später trennte man die "ätherischen Öle" durch Wasserdampfdestillation ab. Heute sind insgesamt über 30’000 Terpene aus allen Lebensformen identifiziert worden. Schon ziemlich früh wurde erkannt, dass die überwiegende Mehrzahl der Terpene in ihren Molekülen ein Vielfaches von 5C-Atomen enthält. Die einfachsten Typen mit 10 C-Atomen wurden als Monoterpene bezeichnet, z. B.:

Die Terpene mit 15 C-Atomen werden als Sesquiterpene bezeichnet :

Die Terpene mit 20 C-Atomen werden als Diterpene, die mit 30 C-Atomen als Triterpene und die

CH2 OH

CH NH2

CH OH

CH CH (CH2)12 CH3

CH2 O

CH NH

CH OH

CH CH (CH2)12 CH3

PO

OO CH2 CH2 NMe3

CO (CH2)16-24 CH3

SphingomyelinSphingosin

CH2OH

CH2OH

OH

CHO

CHO OO

Camphorα-PinenCitronellal

MentholCitralGeraniolNerolLimonenMyrcen

Monoterpene

CH2OH

O

Farnesol Bisabolen Cadinen Selinen Vetivon

HO

Patchoulol(Parfum)

O

COOH

OH Abscisic acid(Phytohormon)

OO

O

COOMeOH

Pentalenolacton(Antibiotic)

Sesquiterpene

5 mit 40 C-Atomen als Tetraterpene bezeichnet:

Im Gegensatz zu den anderen Terpenen, die anhand ihrer Molekülgrösse und ihres natürlichen Vorkommens in Gruppen eingeteilt werden, sich aber in der Molekülgestalt stark unterscheiden, klassifiziert man die Steroide (Triterpene) anhand struktureller Gemeinsamkeit :

Diterpene

CH2OH

CH2OHVitamin A(Retinol)

Phytol

AcO O OH

O

OAcOBzOH

OPh

O

OH

NHO

Ph

H

Taxol (anti-cancer)

Casben(Phytoalexin) HO

O

COOH

Giberellic acid(Phytohormon)

OH

O

Triterpene Squalen

HO

H

HH

HOH

OH

H

HO

H

H

COOH

O

O

HOH

HH

OCH2OH

Cholesterin(Membran-Component) Cholsäure Cortison

(Hormon)

H

O

OH

HH

H

HO

OH

HHH

O

HH

OTestosteron(Hormon) Östradiol

(Hormon)Progesteron(Hormon)

Tetraterpene

ß-Caroten(Pigment, Provitamin A)

6

1921 erkannte Ruzicka (ETH-Zürich), dass man sich die Moleküle der meisten Terpene aus zwei oder mehr Isoprenmoleküle aufgebaut denken kann, wobei die Isoprenreste meistens in Kopf-Schwanz-Stellung miteinander verknüpft sind : Diese Isoprenregel war bei der Konstitutionsaufklärung neuer Terpene von grossen Nutzen :

Viel später (um 1955) zeigte es sich, dass die Biosynthese der Terpene tatsächlich von zwei isoprenähnlichen C5-Verbindungen ausgeht. Im Gegensatz zu den anderen Terpenen, die anhand ihrer Molekülgrösse und ihres natürlichen Vorkommens in Gruppen eingeteilt werden, sich aber in der Molekülgestalt stark unterscheiden, klassifiziert man die Steroide (Triterpene) anhand struktureller Gemeinsamkeit. 17.3Steroide Steroide kommen häufig in der Natur vor, und viele dieser Verbindungen haben physiologische Aktivität. Eine Reihe von Steroiden wirken als Hormone, so wird im menschlichen Körper z.B. die geschlechtliche Reifung und die Fruchtbarkeit durch Steroidhormone gesteuert. In den Steroiden sind drei Cyclohexanringe in der Sesselform aneinander kondensiert und meist trans-verknüpft. Der vierte Ring ist ein Cyclopentan. Allen Steroiden gemeinsam ist das tetracyclische Ringgerüst. Die trans-Verknüpfung der Ringe ermöglicht eine weitgehend spannungsfreie All-Sessel-Konformation, in der die Methylgruppen und Wasserstoffatome an den Verbindungsstellen der Ringe axiale Positionen einnehmen :

Gemischt

N N

NN

Me

Me

MeMe

Mg

OCOOMeO

O

Chlorophyll-a(Photosynthese)

O

O 18

Plastoquinon(Elektron-Transport)

O

OH

C5H11Tetrahydrocannabinol(Cannabis sativa)

CH2OH

OH

OOH

Menthol

Camphor

Grandisol

Cadinen Vitamin A

7

Gruppen, die oberhalb der Ebene des Steroidmoleküls stehen, bezeichnet man als ß-Substituenten, unterhalb der Ebene befindliche Gruppen als α-Substituenten. Alle natürlich vorkommenden Steroide werden ausgehend von Squalen biosynthetisiert und sollten deshalb als Triterpen-Derivate betrachtet werden. Cholesterol kommt in fast allen tierischen und menschlichen Geweben vor, insbesondere im Gehirn und im Rückenmark. Gallensteine können völlig daraus bestehen. Dieses Steroid ist vermutlich für einige Kreislauferkrankungen verantwortlich, da es sich an den Arterienwänden absetzt, was zu Arteriosklerose und Herzerkrankungen führt :

Cortison, das eine breite Anwendung bei der Behandlung rheumatischer Erkrankungen findet, ist eines der Nebennierenrindehormonen. Diese Hormone sind an der Regulierung des Elektrolyt- und Wasserhaushalts und am Protein- und Kohlenhydrat-Metabolismus beteiligt. Die Sexualhormone lassen sich in drei Gruppen aufteilen ; 1) die männlichen Androgene; 2) die weiblichen Östrogene; und 3) die Schwangerschaftshormone oder Progestine :

Die strukturellen Ähnlichkeiten der Steroidhormone sind bemerkenswert, wenn man ihre völlig unterschiedliche Wirkungsweise berücksichtigt. Viele modifizierte Steroide sind auch synthetisiert worden auf der Suche nach neuen Medikamenten. Synthetische Steroide sind die Wirkstoffe der "Pille", die aufgrund der Kontrolle des weiblichen Menstruationszyclus und des Eisprungs als Empfängnisverhütungsmittel wirken.

O

Me

H

H

H

Me

H

HO

HHO

Me

H

H

Me O

HO

Me H

Me

Me Me

Me

HH

HO

Me

HOH

H

HOMe

H

H

Me COOH

O

O

Me H

MeOH

HH

OCH2OH

HMe

O

MeOH

HH

H

HO

MeOH

HH

HMe

O

Me

HH

O Me

8

H

C

O

MeOH

HH

H

HO

MeOH

HH

HMe

MeOH

HH

MeC CH

C H

HNN

Norethindron(ein synthetische Progestin)

Ethynylestradiol(ein synthetische Estrogen)

Stanozol(Anabolic Steroid)

Die Pille = (oftmals) Norethindron + Ethynylestradiol