Inhalt IndexStickstoffhaltige (und deswegen oftmals leicht basische) Verbindungen aus Pflanzen und Mikroorganismen heissen Alkaloide. Es gibt sehr viele davon (gut 10000). Sie können jedoch in Gruppen klassifiziert (z.B. nach Biogenese oder struktureller Verwandtschaft) und von einigen unterschiedlichen Aminosäuren zusammen mit Polyketid-, Peptid- und Terpenoid-Anteilen biosynthesiert werden. Ein paar Beispiele sind unten gezeigt:
Benzylisochinolin-Alkaloide.
Von besonderer Bedeutung innerhalb der Isochinolin-Alkaloide sind diejenigen mit einem 1-Benzyl(tetrahydro)isochinolinskelett, die in vielen Pflanzenfamilien vorkommen. Der Biosyntheseweg zu solchen Alkaloiden wurde meistens durch 14C-Markierungsversuche mit intakten Pflanzen aufgeklärt. Die Benzylisochinolinalkaloide entstehen aus zwei Molekülen von Tyrosin :
Die Norclaurin-Synthase katalysiert eine Art Pictet-Spengler-Reaktion (die hier gezeigte Reaktion läuft sogar langsam spontan ab, liefert aber ein racemisches Produkt):
Danach wird (S)-Reticulin gebildet:
Viele Alkaloide werden ausgehend von Reticulin gebildet, u.a. die Aporphin-Alkaloide:
Die Aryl-Aryl-Bindung entsteht hier über eine Oxidativ-Phenol-Kopplung. Solche Reaktionen können auch im Labor (d.h. ohne Enzym) durchgeführt werden, z.B mit K3(CN)6 als Oxidationsmittel:
Wie solche Reaktionen in der Natur katalysiert werden, d.h. welche Enzyme, welche Coenzyme, welche Mechanismen, ist Gegenstand der heutigen Forschung. Es scheint so, dass Haemoproteine der Familie der P450-Enzyme solche oxidativen Phenol-Kopplungsreaktionen katalysieren.
Zur berühmt-berüchtigten Klasse von Morphin-Alkaloiden gehört u.a. auch Morphin (aus Papaver somniferum). Grundkörper des Morphins ist das Morphinan. Zur einfacheren Einführung in diese Verbindungsklasse wird die folgende Darstellung des Tetrahydroisochinolin gewählt :
Dieser Biosyntheseweg war einer der ersten, der mittels 14C-Markierungsversuchen mit komplexen pflanzlichen Alkaloiden durchgeführt wurde. Inzwischen sind viele der Enzyme dieses Biosynethewegs isoliert und charakterisiert worden.
Bei den meisten Biosynthesewegen zu Alkaloiden sind noch viele Fragen offen, weil die Wege immer noch nicht vollständig aufgeklärt worden sind. Strukturelle Beziehungen zwischen den Endprodukten und einigen der isolierten Zwischenprodukte sind oftmals durch Markierungsversuche mit intakten Pflanzen erläutert worden. Mechanismen können für Schlüsselschritte geschrieben werden, z.B.:
Der einzigartige Tropolonring in Colchicin hat grosses Interesse geweckt :
Die Isolierung und Strukturaufklärung von Autumnalin war für die Etablierung eines möglichen Biosyntheseweges wichtig :
Danach erfolgt eine oxidative Phenol-Kupplung:
Als letztes Beispiel sei hier die Amaryllidacea-Alkaloide genannt, die aus Pflanzen der Familie der Amaryllidaceae isoliert worden sind. Man unterscheidet mehrere verschiedene Gerüst-Typen, die sich aber alle ausgehend von einem gemeinsamen Vorläufer bilden lassen, in dem unterschiedliche oxidative Phenol-Kupplungs-Reaktionen durchgeführt werden:
Indol-Alkaloide
Die einfachsten natürlichen Vertreter mit Indol-Grundskelett sind die biogenen Amine Tryptamin und Serotonin, die von Tryptophan biosynthetisert werden:
Eine sehr interessante Familie von pflanzlichen Alkaloiden besteht aus Tryptamin und einer C9- oder C10-Monoterpen-Einheit. Diese Familie schliesst einige Moleküle mit grosser medizinischer Bedeutung ein, wie z.B. die dimeren Anti-Krebs-Medikamente Vinblastin und Vincristin.
Bei der Biosynthese dieser Familie von Alkaloiden spielen Tryptamin und die Monoterpen Secologanin eine wichtige Rolle:
Die Kondensation von Tryptamin und Secologanin führt zu Strictosidin:
Strictosidin ist der Vorläufer von >1200 unterschiedlichen Indol-Terpen-Alkaloiden und kann z.B. weiter zu Ajmalicin und Geissoschizin umgesetzt werden:
Zum Beispiel:
Eine Umlagerung des Corynanthe-Skelett (wie Ajmalicin) führt zum Strychnos-Skelett (wie Strychnin). Weitere Umlagerungen führen vom Strychnos-Skelett zum Iboga-Skelett (wie Catharanthin) und Aspidosperma-Skelett (wie Vindolin). Die dimeren Alkaloide (wie Vinblastin) entstehen durch Kopplung von Catharanthin und Vindolin.
Ajmalin ist ein "Antiarrhythmic" Alkaloid, das vor 40 Jahren als Medikament eingeführt wurde. Als Wirkungsmechanismus blockiert Ajmalin Na-Kanäle. Für therapeutische Anwendungen wird Ajmalin aus Medizinalpflanzen wie Rauvolfia serpentine extrahiert. Die Biosynthese von Ajmalin ist intensiv untersucht worden:
Noch ein interessantes Alkaloid, das eine wertvolle medizinische Anwendung in der Krebstherapie findet, ist Vinblastine. Bei der Biosynthese von Vinblastin werden Catharanthin und Vindolin gekuppelt. Obwohl die Bildung von Catharanthin noch nicht definiert worden ist, ist die Biosynthese von Vindolin intensiv untersucht worden, vor allem die späteren Schritte nach Tabersonin (vgl. unten).
Es ist bekannt, dass ein relativ unspezifische "Horse-Radish-Peroxidase" die Kupplung dieser zwei Bausteine katalysieren kann. Es ist davon auszugehen, das ein ähnlich spezifisches Enzym in Vinblastin produzierenden Pflanzen diesen Schritt katalysiert.
