Pflanzeninhaltsstoffe Experimentalvortrag von Siegrid Heinlein WS 08/09.
Post on 05-Apr-2015
107 Views
Preview:
Transcript
PflanzeninhaltsstoffeExperimentalvortrag
von Siegrid Heinlein WS 08/09
2
Gliederung
1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz
3
Gliederung
1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz
4
Pflanzen
• Fotosynthese • nach Organisation des
Pflanzenkörpers in niedere und höhere Pflanzen einteilbar
• Höhere Pflanzen: 3 Grundorgane (Blatt, Spross, Wurzel)
• Niedere Pflanzen: geringerer Organisationsgrad
5
Gliederung
1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz
6
Nutzungsformen von Pflanzen
• Nahrungspflanzen – Grundnahrungsmittelpflanzen mit
primären Speicherstoffen (Fette und Öle, Kohlenhydrate, Eiweiße)
– Gemüse-, Salatpflanzen, Obst
7
Nutzungsformen von Pflanzen
• Nichtnahrungspflanzen– Futterpflanzen– Technisch genutzte Pflanzen,
Pflanzenteile und Inhaltsstoffe– Garten- und landschaftsbaulich
genutzte Pflanzen
Gewinnung von Kautschuk
8
Nutzungsformen von Pflanzen
• Sekundärstoffhaltige Pflanzen– Arzneipflanzen– psychoaktive Pflanzen– Genussmittelpflanzen– Gewürzpflanzen– Süßstofflieferanten
9
Arzneimittel aus Pflanzen• oft sehr spezifische und drastische Wirkung• bis ins 17 Jh.: „Arzt“ = „Botaniker“ • Heute: großer Anteil Arzneimittel geht auf pflanzliche
Ausgangssubstanzen zurück oder enthält diese unverändert
10
Pharmazeutische Wirkstoffe aus Pflanzen
Wirkstoff Substanzklasse Gewonnen aus Anwendung
Digoxin Steroid Wolliger Fingerhut
Herz-insuffizienz
Chinin Alkaloid Chinarinden-baum
Malaria
Taxol Diterpen Westpazifische Eibe
Cytostatikum
Codein Alkaloid Schlafmohn Reizhusten
Wolliger Fingerhut
11
Gliederung
1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz
12
Elementare Zusammensetzung höherer Pflanzen
• Hauptbestandteil:– die Nichtmetalle Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff,
Stickstoff, Schwefel und Phosphor – Kohlenstoff am meisten– meist in organischen Verbindungen gebunden, aber
auch ionisch• in größeren Mengen: Kalium, Calcium, Magnesium und
Eisen.• Spurenelemente: Bor, Mangan, Zink, Kupfer, Chlor,
Molybdän
13
Gliederung
1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz
14
Primäre Pflanzeninhaltsstoffe
• essentiell • Bedeutung im Primärstoffwechsel• überall gleiche Funktion
(z.B. Photosynthese, Atmung, Lipidsynthese,...)
• im Folgenden näher betrachtet:DNAStärkeCelluloseLipide aus Pflanzen
15
DNA
• Desoxyribonukleinsäure• trägt Erbinformation aller Lebewesen• kodiert für Proteine• 4 Nukleinbasen:
– Cytosin und Guanin– Adenin und Thymin
• 2 Einzelstränge über Wasserstoff-brücken miteinander verbunden
• Doppelhelix
Demo 1
Isolierung von DNA aus Früchten
17
D 1: Isolierung von DNA aus Früchten
• Mechanische Zerstörung der Zellwände• Spülmittel löst Membranen • DNA in Flüssigkeit gelöst• Alkohol entzieht der DNA die Hydrathülle• DNA fällt aus
18
Stärke• schraubig gewundenes Polysaccharid• aus 2 verschiedenen Molekülen aufgebaut:
– Amylose (unverzweigt, ca. 1000 Glucosemoleküle, α-(1→4)-glycosidisch verknüpft)
– Amylopektin (verzweigt, 104-105 Glucosemoleküle, zusätzlich α-(1→6)-glycosidisch verknüpft)
• Speicherform von Kohlenhydraten• Vorteil von Stärke als Speicherform von Kohlenhydraten
– Aldehydgruppe vor Oxidation geschützt– osmotisch unwirksam
Versuch 1
Nachweis von Stärke
20
V 1: Nachweis von Stärke
• Nachweis mit Lugolscher Lösung• Einlagerung von Polyiodid-Ionen in die Helix der Stärke• blaue Farbe entsteht durch Charge Transfer
21
Cellulose• unverzweigtes, lineares Polysaccharid (bis zu 10.000 β-D-
Glucose-Molekülen β -(1→4)-glykosidische Bindung)
• Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände• vernetzt sich untereinander zu fibrillären Strukturen • in Wasser und den meisten organischen Lösungsmitteln
unlöslich
Versuch 2
Nachweis von Cellulose
23
V 2: Nachweis von Cellulose • Blaufärbung durch Zinkchloridiod-Lösung• Zinkchlorid bewirkt Quellung der Fasern• Polyiodid-Ion werden zwischen den Fasern eingelagert • Charge-Transfer verursacht Färbung
= Polyiodidion
24
Industrielle Nutzung
• Papierindustrie• Bekleidungsindustrie • Baustoffindustrie• Grundstoff für den Kunststoff Cellophan
Baumwollernte
25
Lipide
• in Membranen des endoplasmatischen Reticulums gebildet
• im reifen Samen ca. 45% des Trockengewichts• Verwendung als Nahrungsmittel, aber auch als Rohstoffe
für die Industrie
Versuch 3
Verseifung von Pflanzenölen
27
V 3: Verseifung von Pflanzenölen
R1 -R 3 = Reste der jeweiligen Fettsäure
= R
28
V 3: Verseifung von Pflanzenölen
C13H27 OR
O
C13H27 OH
O
O R
C13H27 OH
O
C13H27 OH
O
C13H27 O
O
+ OH (aq) + OR (aq)
+ OR (aq) + HOR
tetraedrische Zwischenstufe
Carboxylat
Ester
Alkohol
Carbonsäure
(aq)
R= Rest des Fettsäuretriglycerids
Versuch 4
Nachweis von ungesättigten Fettsäuren
30
V 4: Nachweis von ungesättigten Fettsäuren
Ungesättigte Fettsäuren:
+ Br2 (aq)
Br Brδ+δ-
π – Komplex
H H
R Rx y
H H
R Rx y
Ungesättigte Fettsäuren:
+ Br2 (aq)
Br Brδ+δ-
π – Komplex
H H
R Rx y
H H
R Rx y
Ungesättigte Fettsäuren:
+ Br2 (aq)
Br Brδ+δ-
π – Komplex
H H
R Rx y
H H
R Rx y
H H
R Rx y
H H
R Rx y
+ Br -(aq)
nucleophile
anti-Addition
Vicinale Dibromverbindung
Bromoniumion
C C
H H
R
Br
R
+
x y
H HBr
BrR Rx y
+ Br -(aq)
nucleophile
anti-Addition
Vicinale Dibromverbindung
Bromoniumion
C C
H H
R
Br
R
+
x y
C C
H H
R
Br
R
+C C
H H
R
Br
R
+
x y
H HBr
BrR Rx y
H HBr
BrR Rx y
31
Gliederung
1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz
32
Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe
• meist keine direkte Funktion im Stoffwechsel • meist spezifische ökologische Funktion• Vorkommen oft nur auf wenige Spezies beschränkt
• Zu unterscheiden: – präformiert: vorsorglich gebildet und gespeichert– induziert: erst bei Bedarf gebildet (z.B. nach
Fraßschaden)
33
Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe
• große Vielzahl: über 200 000 von Pflanzen produzierte Verbindungen bekannt
• jede Pflanze bildet Vielfalt an charakteristischen Inhaltsstoffen
• jede Pflanze bildet Hunderte– Tabak: über 2000 Inhaltsstoffe
Tabak
34
Ökochemische Einteilung
• Schutzstoffe (Schutz vor abiotischen Umgebungseinflüssen)
• Lockstoffe (Sicherstellung der Bestäubung, Samenverbreitung)
• Speicherstoffe (enthalten oft Elemente wie Stickstoff und Schwefel, die oft Mangelfaktoren darstellen)
• Chemische Waffen
35
Ökochemische Einteilung
• Chemische Waffen– Allelopathica: gegen pflanzliche Konkurrenten– Phytopatogene: gegen mikrobielle Schädlinge
• Phytopestizide: liegen präformiert vor• Phytoalexine: Bildung durch Befall induziert
– Fraßschutz:• Flüchtige Schreckstoffe: Distanzhalten• Bitterstoffe: machen ungenießbar• Toxine: schwere Gesundheitsschäden/Tod• hormonähnliche Wirkstoffe: stören Entwicklung
36
Chemische Einteilung
Die meisten lassen sich einer der folgenden GruppenZuordnen:
• Phenylpropanoide• Alkaloide • Terpenoide = Isoprenoide• Cyanogene Glykoside • Senfölglycoside
R2
R1
O
N
Zucker
Grundstruktur: Cyanogenes Glykosid:
Grundstruktur: Senfölglykosid
37
Phenylpropanoide
• abgeleitet von Benzolring mit C3-Seitenkette• wichtige Funktionen:
– Antibiotika, Signalsubstanzen, Lockmittel, Lichtschutz, Gerüstmaterial,…
• Bsp.: Phenole, Flavonoide, Cumarine, Tannine, Lignin
C3
38
Phenylpropanoide: Anthocyane• sind Flavonoide• Farbstoffe, die in Blüten, Blättern, Früchten und selten
auch in Wurzeln vorkommen• Attraktionswirkung (Blüten, Früchte)• antioxidative Eigenschaften• Schutz vor negativen Lichteinflüssen
Versuch 5Anthocyane als pH-Indikator
40
Anthocyane als pH-Indikator
O
O C6H11O5
O
C6H11O5
OH
OH
OH
+O
O C6H11O5
O
C6H11O5
OH
OH
O
O
O C6H11O5
O
C6H11O5
OH
O
O
-
OH-H+
Cyanin-Kation (rot, pH < 3)
Farbbase(violett, pH 7-8)
Farbstoff-Anion(blau, pH > 11)
41
Alkaloide• alkalische Sekundärmetabolite mit einem oder mehreren
N-Atome im Heterocyclus• werden aus Aminosäuren gebildet• häufig ausgeprägte pharmakologische Wirkung• über 10 000 Alkaloide sind bekannt• sehr vielfältige Strukturen • Beispiel: Nicotin
N
N
42
Alkaloid: Coffein
• Eines der ältesten vom Menschen genutzten Stimulanzien
• Hauptwirkstoff des Kaffees • kommt in über 60 Pflanzen
(z.B. Teestrauch, Matebaum, Kolanuss)• eng verwandte, in zahlreichen Pflanzen
vorkommende Wirkstoffe: Theophyllin und Theobromin
Teestrauch
Versuch 6Nachweis von Coffein
44
Nachweis von Coffein
Coffein Xanthin
Coffein wird zunächst durch schrittweise Oxidation der Methylgruppen zu Xanthin umgesetzt:
N
NN
N
O
O
CH3
CH3
CH3
N
NN
N
O
O
H
H
H
+ H2O2 + 3 CO2 + OH26 6 + 3 H2
45
NH
NHNH
O
O
OO
H
H
H 2O; H +
-NH 4+
NH
NHNH
N
O
O
H 2O
<H +>NH
NHNH
NH2
O
OO
H
NH
NHNH
NH
O
OO
H
H
Säurekatakysierte Hydrolyse von Xanthin:
Nachweis von Coffein
46
Oxidation an der endständigen Ketogruppe und des daraus entstanden Amins
Nach anschließender Hydrolyse des Imins entsteht Aloxan:
NH
NHNH
O
O
OO
H
H
NH
NHNH2
O
O
O
H
Uramil
H 2O 2
- 2 H 2O
NH
NH
O
OO
NH
NH
NH
O
OO
O
Aloxan
H 2O 2
- H 2O ; -CO 2
+ H 2O ; H +
- NH 4+
Nachweis von Coffein
47
Die Enol-Form des Uramils und Aloxan reagieren unter Wasserabspaltung zur Purpursäure:
Nachweis von Coffein
NH
NHNH2
OH
O
ONH
NH
O
OO
O
+- H 2O
NH
NHN
NH
NH
O
O
O OH O
O
48
Nach Zugabe von Ammoniak entsteht Murexid, das purpur-violette Ammoniumsalz der Purpursäure:
NH
NHN
NH
NH
O
O
OOHO
O
+ NH 3
NH
NHN
NH
NH
O
O
OO-
O
O
NH4+
Murexid
Nachweis von Coffein
49
Isoprenoide
• Grundbaustein ist Isopren
• leiten sich von Isopentenylpyrophosphat ab• mehr als 23 000 pflanzliche Isoprenoide bekannt• im primären und sekundären Stoffwechsel von Bedeutung• große wirtschaftliche Bedeutung (Aromastoffe,
Insektizide, Lösungsmittel, Kautschuk,…)
50
Isoprenoid: Carotinoide• Carotinoide sind Tetraterpene• Dienen als akzessorische Photosynthesepigmente• Schützen Chlorophylle vor Photooxidation• in Membran der Chromoplasten gebundene
Farbstoffe Pigmentierung von Blüten, Früchten und
Speichergeweben
Demo 2Extraktion von Carotinoiden
52
Carotinoide
• Carotine: bestehen aus Kohlenstoff und WasserstoffStruktur von -Carotin:
• Xanthophylle: enthalten zusätzlich SauerstoffatomeStruktur von Zeaxanthin
OH
OH
53
Gliederung
1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz
54
Schulrelevanz
• Chemie LK/GK 11G.1: Alkansäuren und ihre Derivate• Chemie LK/GK 11G.2: Naturstoffe (Fette, Kohlenhydrate)• Biologie 7G.3: Fotosynthese und Zellatmung• Biologie LK/GK 11G.1: DNA
55
Vielen Dank
56
Quellennachweis: Literatur
• Heldt, Hans W. : Pflanzenbiochemie, Spektrum Akademischer Verlag, 3. Auflage• Lieberei/ Reisdorff: Nutzpflanzenkunde, Thieme Verlag, 7. Auflage• Weiler/Nover: Allgemeine und molekulare Botanik, Thieme Verlag, 1. Auflage• Skript zum Pflanzenphysiologischen Kurs SS 08, Philipps-Universität Marburg • Vollhardt/Schore: Organische Chemie, WILEY-VCH Verlag, 4. Auflage
57
Quellennachweis: Bilder• http://www.lmc.uni-karlsruhe.de/109.php• www.biokurs.de/skripten/12/bs12-12.htm• http://www.55plus-magazin.net/php/schutz_vor_sonnenbrand_betacarotin,13335,152
58.html• http://www.gesundheitpro.de/wub/j/image_preview.jsp?paragraph_id=V070620OSC0R
250580&preview_media_id=M060911PUBAP028310• http://www.blumeninschwaben.de/Zweikeimblaettrige/Rachenbluetler/fingerhut.htm• http://bambus-muenchen.de/seiten/hauptseite/bambus3a.gif• http://www.t-knopf.de/Projekt3/assets/images/DNA_Helix.jpg• http://www.bs-wiki.de/mediawiki/images/Amylose-Wendel.JPG• http://sci.waikato.ac.nz/farm/images/cellulose%20structure%20RF.jpg• http://www.jip.thueringen.de/awo_xxl/rauchen/Tabak.jpg• http://www.medienwerkstatt-online.de/lws_wissen/bilder/1955-1.jpg• http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Bild:Baumwoll-Erntemaschine.jpeg&filetime
stamp=20041213090541• http://www.fsbio-hannover.de/oftheweek/257/Zelle_small.jpg
top related