Vorlesung Zell- und Molekularbiologie von Naturstoffen

Transkript

1 Vorlesung Zell- und Molekularbiologie von Naturstoffen

2 Inhalte Vorkommen und Biosynthese ausgewählter Beispiele Analyse von Naturstoffen Transport Evolution der Biosynthesewege von Naturstoffen Gentechnik/Biotechnologie Funktion Pflanzen: -pflanzliche Entwicklung -abiotischer Stress -Interaktion mit anderen Organismen -Co-Evolution Funktion Menschen: -Bedeutung für die Gesundheit am Beispiel von Flavonoiden - Wechselwirkung mit zellulären Bestandteilen - Visualisierung von Naturstoffen in Zellen - Metabolismus und Toxizität - Wirkung auf physiologische Prozesse - Ernährungsphysiologische und medizinische Aspekte

3 Warum besteht Interesse an Sekundärmetaboliten aus Pflanzen?

4 1. Einführung in die Naturstoffbiologie in Pflanzen a. Lokalisierung b. Ausgewählte Biosynthesewege c. Transkriptionskontrolle d. Transportwege e. Evolution der Biosynthesewege

5 Anzahl bekannter Sekundärmetaboliten in Pflanzen

6 Strukturelle Vielfalt von sekundären Pflanzenmetaboliten

7 Variationen in Raum und Zeit

8 Speicherkompartimente für hydrophile und lipophile Substanzen Storage compartments Hydrophilic compounds Lipophilic compounds

9 Einige Beispiele für sekundärmetabolithaltige Kompartimente

10 Zielmoleküle von sekundären Pflanzenmetaboliten

11 Biosynthese allgemeines Schema

12 Biosynthese von sekundären Pflanzenmetaboliten

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14 Einige Grundstrukturen von Alkaloiden

15 Biosynthesewege für verschiedene Alkaloide

16 Der Shikimisäureweg führt zu Phenolen

17 Kurze Einführung in die Flavonoid-Chemie Flavonoids are a class of water-soluble plant pigments. Groups of flavonoids: isoflavones, anthocyanidins, flavans, flavonols, flavones, flavanones The flavonoids are polyphenolic compounds possessing 15 carbon atoms; two benzene rings joined by a linear three carbon chain. Flavan C The chemical structure of flavonoids are based on a C15 skeleton with a CHROMANE ring bearing a second aromatic ring B in position 2, 3 or 4. In a few cases, the six-membered heterocyclic ring C occurs in an isomeric open form or is replaced by a five - membered ring.

18 Die verschiedenen Gruppen von Flavonoiden werden durch das Substitutionsmuster am Ring C bestimmt Both the oxidation state of the heterocyclic ring and the position of ring B are important in the classification. Examples of the 6 major subgroups are: 1. Chalcones 2. Flavone (generally in herbaceous families). Apigenin (Apium graveolens, Petroselinum crispum). Luteolin (Equisetum arvense) 3. Flavonol (generally in woody angiosperms) Quercitol (Ruta graveolens, Fagopyrum esculentum, Sambucus nigra) Kaempferol (Sambucus nigra, Cassia senna, Equisetum arvense, Lamium album, Polygonum bistorta). Myricetin 4. Flavanone 5. Anthocyanins 6. Isoflavonoids Most of these (flavanones, flavones, flavonols, and anthocyanins) bear ring B in position 2 of the heterocyclic ring. In isoflavonoids, ring B occupies position 3. A group of chromane derivatives with ring B in position 4 is called 4-phenyl-coumarins = NEOFLAVONOIDS. The Isoflavonoids and the Neoflavonoids can be regarded as ABNORMAL FLAVONOIDS.

19 Biosynthese von einigen Flavonoiden

20 Biosynthese von Betalainen

21 Glucosinolate Glucosinolate, schwefelhaltige Metabolite von Aminosäuren, sind in der Regle nicht per se aktiv, sondern sie müssen zu toxischen Produkten umgewandelt werden, z.b. (Iso-)Thiocyanate, die sogenannten Senföle. Demnach sind sie präformierte Abwehrsubstanzen. Die Glucosinolate kommen in spezialisierten Zellen vor (Myrosin-Zellen) und befinden sich in der Vakuole, während das abbauende Enzyme (Myrosinase, eine ß-Thioglucosidase) im Cytosol lokalisiert ist. Kommen, z.b. nach Verletzung des Gewebes Enzym und Substrat zusammen, dann werden die Glucosinolate abgebaut. Dies hat dem System den Namen Senfölbombe eingetragen.

22 Beispiele für glucosinolathaltige Pflanzen

23 Glucosinolate kann man nach ihrer Herkunft in verschiedene Gruppen einteilen Aliphatische/Alkenyl-GSL Aromatische GSL Indol-GSL Glucocapparin = Methylglucosinolat Glucotropaeolin = Benzylglucosinolat Biosynthese aus Phenylalanin/Tyrosin Glucobrassicin = Indol-3- methylglucosinolat Biosynthese aus Tryptophan Sinigrin = Allylglucosinolat Biosynthese aus Methionin

24 Die zelluläre Kompartimentierung des Glucosinolatsystems

25 Biosynthese und Metabolismus von Glucosinolaten

26 Der Abbau von Glucosinolaten ist von vielen Faktoren abhängig

27 Terpene Man unterscheidet je nach Anzahl der Isopreneinheiten: Hemiterpene 1 Monoterpene 2 Sesquiterpene 3 Diterpene 4 Sesterterpene 5 Isopren Thymol Helenalin Ginkgolid Ophiobolin A Triterpene 6 Tetraterpene 8 Polyterpene Oleanolsäure ß-Carotin Kautschuk

28 Allgemeines Schema der Terpenbiosynthese IPP (C5) DMAPP (C5) GPP (C10) IPP (C5) 2x IPP (C5) 3x IPP (C5) Monoterpene (C10) FPP (C15) 2x GGPP (C20) Diterpene (C20) 2x Sesquiterpene (C15) Squalen (C30) Phytoen (C40) IPP = Isopentenylpyrophosphat DMAPP =Dimethylallyl GPP = Geranyl FPP = Farnesyl GGPP = Geranylgeranyl Triterpene (C30) Tetraterpene (C40)

29 Terpene werden auf zwei unterschiedlichen Biosynthesewegen synthetisiert

30 Die Terpenindol-Biosynthese ist stark kompartimentiert die Enzyme kommen aber auch in verschiedenen Zelltypen vor

31 Biosynthese von Carotinoiden

32 Metabolitensynthese kostet Energie

33 Viele Transkriptionsfaktoren regulieren die Genexpression

34 Wie kann Promotor-Aktivität sichtbar gemacht werden?

35 Die Entstehung regulatorischer mikrornas

36 Transkriptionsfaktoren bilden Komplexe

37 In manchen Fällen müssen Inhibitoren der Transkription erst abgebaut werden

38 Umweltfaktoren regulieren die Transkription

39 Aufnahme von Sekundärmetaboliten in die Zelle

40 Zellulärer und Langstreckentransport von Glucosinolaten

41 Naturstoffe in der Evolution

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43 Genduplikation und parallele Evolution von Biosynthesewegen Genduplikation getrennte Evolution

44 Evolution von Nitrilasen

45 Genfamilien in der Evolution

46 Wie entstehen Genfamilien?

47 Gene werden aus dem Primärstoffwechsel rekrutiert

48 Gencluster Gene im Cluster zum Teil transkriptional co-reguliert sehr großes Cluster, das zwischen den Biosynthesegenen auch andere Gene enthält