Nutzpflanzen. Vorlesung Bickel SoSe : Kautschuk und andere Isoprenoide Nutzpflanzenvorlesung 1

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1 Nutzpflanzen Vorlesung Bickel SoSe : Kautschuk und andere Isoprenoide Nutzpflanzenvorlesung 1

2 Die Vorlesung gehört zum Modul Mikroskopische Analyse von Nahrungs- und Genussmitteln (Schuster) und befasst sich mit den folgenden Lehrinhalten: 1. Phycokolloide aus Rot- und Braunalgen 2. Senfölglycoside in Brassicaceen 3. Inulin liefernde Pflanzen 4. Farbstoffe aus Pflanzen 5. Etherische Öle aus Gewürz- und Arzneipflanzen 6. Kautschuk und andere Isoprenoide 7. Genussmittelpflanzen (Coffein) 8. Chemische Fallen: Alliaceae 9. Cyanogene Glycoside 10. Alkaloide und Herzglycoside Berücksichtigt werden: Einordnung in das Pflanzenreich, spezielle Botanik der angesprochenen Pflanzen, Züchtung, Pflanzenkultur und Biotechnologie, Biosynthese, Biochemie und Gewinnung der Inhaltsstoffe, Anwendungen, Toxikologie und Pharmakologie, Geschichte der Nutzpflanzen Nutzpflanzenvorlesung 2

3 Sekundäre Pflanzenstoffe Isoprenoide (Isoprenstoffechsel) Terpenoide (Menthol, Kampfer, Tetrahydrocannabinol, Carotin, Xanthophyll) Steroide (Cholesterin, Stigmasterin) Polyterpene (kautschuk, Guttapercha) Phenole (Shikimisäureweg) Salicylsäure, Cumarin, Quercetin, Catechine Polyprenylchinone (Anthrachinone, Naphtochinone) Plastochinon, Tocopherol (Vitamin E, K) Phenylchromanderivate (Isopren + Zimtsäure) Flavone, Anthocyane Polyketide (Flechtensäuren) Alkaloide (Aminosäurestoffwechsel) Morphin, Kathinon, Ephedrin, Colchicin, Ergoline, Chinin, Nicotin, Piperin, Cocain Purinalkaloide: Coffein, Theobromin, Theophyllin Nutzpflanzenvorlesung 3

4 Isoprenoide Terpenoide Sekundärstoffe? Carotinoide Chlorophylle Prenylchinone (Plastochinon) Phytohormone (Giberelline, Auxine, Abscisine) Nutzpflanzenvorlesung 4

5 Biosynthese der Terpenoide Die Synthese von IPP beginnt mit Produkten aus der Glykolyse (Zuckerstoffwechsel) Es gibt zwei Wege: den Acetat-Mevalonat-Weg (klassisch), im Cytoplasma pflanzlicher Zellen, Tiere,Pilze, Eubakterien den DOX-P-Weg in Plastiden, Grünalgen und Eubakterien Nutzpflanzenvorlesung 5

6 Acetat-Mevalonat-Weg DOX-P-Weg Nutzpflanzenvorlesung 6

7 Enzym: DOXP-Synthase DOXP Nutzpflanzenvorlesung 7

8 Klassisch: Acetat-Mevalonat-Weg Isoprenoide stammen aus dem Abbau der Glucose in der Glycolyse. Drei Moleküle Acetyl- CoA sind die Basis für die Produktion des aktiven Isoprens. Isopentenyldiphosphat ist aktives Isopren. Im Gleichgewicht damit steht das isomere Dimethylallyldiphosphat Nutzpflanzenvorlesung 8

9 Kettenverlängerung Nutzpflanzenvorlesung 9

10 Isoprenoide Entstehung der langen Molekülketten durch Addition von weiteren IPD-Molekülen (Kopf-Schwanz- Addition) Nutzpflanzenvorlesung 10

11 Terpenoide Monoterpene: 10 C-Atome (C10H16): Duft- und Aromastoffe (Etherische Öle) Sesquiterpene: 15 C-Atome: Phytohormon Abscisinsäure (ABA), Aromastoffe (Etherische Öle) Diterpene: 20 C-Atome: Phytol, Taxol (Giftstoff der Taxus-Eiben, hemmt Zellteilung), Atractylosid (hemmt die Zellatmung), Steviosid (Süßstoff), Giberelline (Phytohormone) Triterpene: C30: Steroide, Steroidalkaloide und Herzglycoside (Digitalis, Maiglöckchengift Convallatoxin), Gallensäure, Vitamin D, Tetraterpene: C40: Carotinoide und Xanthophylle Polyterpene: Isopreneinheiten: Kautschuk, Guttapercha, Chicle Nutzpflanzenvorlesung 11

12 Diterpene Nutzpflanzenvorlesung 12

13 Steroide Herzglykoside (Digoxigenin) Gallensäure Phytosterine Hormone (Östrogen, Testosteron) Cholesterin Nutzpflanzenvorlesung 13

14 Tetraterpene Nutzpflanzenvorlesung 14

15 Kautschuk all-cis-1,4-polyisopren aus 5000 bis Isopreneinheiten Kautschuk ist ein spiralig gewundenes Molekül Nutzpflanzenvorlesung 15

16 Biosynthese von Kautschuk Auf der Oberfläche von rundlichen Partikeln von 5 nm Ø, den Kautschukkörpern; IPD entsteht im Cytoplasma der Milchröhre aus Acetyl-CoA; Das Enzym Prenyltransferase katalysiert die schrittweise Addition von IPD-Einheiten; dabei sind Verlängerungseinheiten (REF = rubber elongation factor) notwendig (=Polypeptid von 14 kda, ist Bestandteil der Kautschukkörper) Nutzpflanzenvorlesung 16

17 Kautschukliefernde Pflanzen außer Hevea Nutzpflanzenvorlesung 17

18 Cryptostegia grandiflora Nutzpflanzenvorlesung 18

19 Cryptostegia: Früchte Nutzpflanzenvorlesung 19

20 Hevea brasiliensis (Euphorbiaceae) Der Kautschukbaum: m hoch, 1 m Ø, wird seit 1877 in Plantagen angebaut. Vorher wurde Kautschuk wild gesammelt, wobei die Bäume oft vorzeitig zerstört wurden Nutzpflanzenvorlesung 20

21 Hevea brasiliensis (Euphorbiaceae) Der Kautschukbaum: Seine Blätter sind dreizählig gefingert und langgestielt. Die unscheinbaren gelblichen Blüten sind getrenntgeschlechtlich und in lockeren Rispen angeordnet. Weibliche Blüten sind größer als männliche und nehmen die Spitze der Rispe ein. Früchte sind dreiklappige Kapseln Diese enthalten ein verwertbares Öl sowie das giftige Blausäureglycosid Linamarin Nutzpflanzenvorlesung 21

22 Hevea brasiliensis (Euphorbiaceae) Lockeren Rispe mit unscheinbaren, gelblichen Blüten Weibliche Blüten sind größer als männliche und nehmen die Spitze der Rispe ein Nutzpflanzenvorlesung 22

23 Hevea brasiliensis Zapfschnitt von links oben nach rechts unten Im sekundären Teil der weißlich-grauen, glatten Rinde, die bis zu 2,5 cm dick wird, befinden sich gegliederte Milchröhren, in denen der Milchsaft unter einem Druck von 1,2 bis 1,5 MPa (12 bis 15 atm) geführt wird. Aus diesem Grund entleert sich der Milchsaft bei Verletzung der Milchröhren sehr schnell. Geerntet wird ab dem 5. Lebensjahr Nutzpflanzenvorlesung 23

24 Hevea brasiliensis Zapfschnitt von links oben nach rechts unten, da die Milchröhren spiralig verlaufen. Das Kambium darf nicht verletzt werden. Es werden täglich etwa 5-6 mm Rinde entfernt Nutzpflanzenvorlesung 24

25 Geschichte des Kautschuks Nutzpflanzenvorlesung 25

26 Geschichte des Kautschuks Die Indianer stellten aus dem Milchsaft des Baumes Hévé, den sie caa-o-chu ( fließendes Holz oder weinender Baum ) nannten, Bälle her, außerdem nutzten sie diesen Stoff zum Abdichten von Booten und Gefäßen. Der französische Mathematiker und Forschungsreisende CHARLES-MARIE DE LA CONDAMINE, der 1734 die Anden durchquerte, beschrieb die Verwendung des elastischen Stoffes. Mitte des 19. Jhdts. wurde in Amerika durch CHARLES GOODYEAR (1839) das Vulkanisationsverfahren erfunden, wodurch der Kautschuk in ein nicht klebriges, formbares Material verwandelt und damit technisch nutzbar wird. Weltwirtschaftliche Bedeutung gewann er erst mit der Entwicklung der Reifenindustrie, die 1889 mit der Erfindung der luftgefüllten Fahrradreifen durch den irischen Tierarzt J. B. DUNLOP startete Nutzpflanzenvorlesung 26

27 Kautschukgewinnung Nutzpflanzenvorlesung 27

28 Milchsaft: Inhaltsstoffe 60-75% Wasser 30-40% Kautschuk (Kügelchen von 1-2 µm Ø) 1,5-2% Harze 1,5-2% Proteine 0,5-1% Mineralien Kautschuk wird mit verdünnter Essigsäure oder Ameisensäure ausgefällt. Bei Raumtemperatur ist K. amorph, bei niedriger T. kristallisiert, bei hoher T. dehnen sich die Moleküle in der Längsachse (Gummi!) Nutzpflanzenvorlesung 28

29 Kautschuk: Vulkanisation Der Schwefel wird an die Doppelbindungen addiert und vernetzt die langen Ketten durch Bildung von Disulfidbrücken. Damit die elastischen Eigenschaften von -60 bis +100 C erhalten bleiben, wird der Kautschuk vulkanisiert. Heißvulkanisation: bei 180 mit elementarem Schwefel Kaltvulkanisation: mit Dischwefeldichlorid, funktioniert aber nur bei dünnwandigem Material. Zusatz von Ruß oder Zinkoxid verbessern die mechanischen Eigenschaften Nutzpflanzenvorlesung 29

30 Vulkanisierung von Kautschuk Isopreneinheit Nutzpflanzenvorlesung 30

31 Palaquium gutta, Sapotaceae Guttaperchabaum, Herkunft: Malaysia, Indonesien, 35 m hoher Baum. Produziert Milchsaft in den Milchröhren seiner Rinde und der Blätter, dieser enthält ein Polyisopren mit trans- Verknüpfungen Nutzpflanzenvorlesung 31

32 Guttapercha Polyisopren mit trans-verknüpfungen, maximal 2000 Isopreneinheiten. Gewinnung: aus den Blättern (trocknen, zerkleinern, mit heißem Wasser extrahieren, abschöpfen, pressen zu Platten. Nach Vulkanisierung wird Guttapercha zu Isoliermaterial und Treibriemen verarbeitet Nutzpflanzenvorlesung 32

33 Manilkara zapota, Sapotaceae Breiapfelbaum, Sapodill, Kaugummibaum: stammt aus Mittelamerika, wird m hoch, eiförmige Blätter, die in Büscheln an den Zweigen stehen. Die Früchte sind apfelgroße, wohlschmeckende Beeren ( Nispero ) Nutzpflanzenvorlesung 33

34 Nutzpflanzenvorlesung 34

35 Chicle: Kaugummi Der Milchsaft des Sapotebaumes (alle Pflanzenteile) enthält Chiclegummi, der beim Erhitzen koaguliert. Chicle besteht aus 20% Kautschuk, 50% Harz, 17% Kohlenhydraten. Kaugummiproduktion: Chicle wurde schon von den Indianern als Kaugummi gekaut. Man gewinnt Chicle aus der Rinde, alle 2 Jahre etwa 7 Liter, dann erfolgt die Regeneration. Dazu wird ein fischgrätähnliches Muster in die Rinde geritzt. Die Masse wird erwärmt und mit Zucker und Aromastoff versetzt zu den handelsüblichen Produkten geformt Nutzpflanzenvorlesung 35

36 Kaugummi Nutzpflanzenvorlesung 36