PflanzeninhaltsstoffeExperimentalvortrag

von Siegrid Heinlein WS 08/09

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Gliederung

1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz

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Gliederung

1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz

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Pflanzen

• Fotosynthese • nach Organisation des

Pflanzenkörpers in niedere und höhere Pflanzen einteilbar

• Höhere Pflanzen: 3 Grundorgane (Blatt, Spross, Wurzel)

• Niedere Pflanzen: geringerer Organisationsgrad

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Gliederung

1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz

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Nutzungsformen von Pflanzen

• Nahrungspflanzen – Grundnahrungsmittelpflanzen mit

primären Speicherstoffen (Fette und Öle, Kohlenhydrate, Eiweiße)

– Gemüse-, Salatpflanzen, Obst

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Nutzungsformen von Pflanzen

• Nichtnahrungspflanzen– Futterpflanzen– Technisch genutzte Pflanzen,

Pflanzenteile und Inhaltsstoffe– Garten- und landschaftsbaulich

genutzte Pflanzen

Gewinnung von Kautschuk

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Nutzungsformen von Pflanzen

• Sekundärstoffhaltige Pflanzen– Arzneipflanzen– psychoaktive Pflanzen– Genussmittelpflanzen– Gewürzpflanzen– Süßstofflieferanten

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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

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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

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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

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Primäre Pflanzeninhaltsstoffe

• essentiell • Bedeutung im Primärstoffwechsel• überall gleiche Funktion

(z.B. Photosynthese, Atmung, Lipidsynthese,...)

• im Folgenden näher betrachtet:DNAStärkeCelluloseLipide aus Pflanzen

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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

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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

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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

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V 1: Nachweis von Stärke

• Nachweis mit Lugolscher Lösung• Einlagerung von Polyiodid-Ionen in die Helix der Stärke• blaue Farbe entsteht durch Charge Transfer

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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

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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

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Industrielle Nutzung

• Papierindustrie• Bekleidungsindustrie • Baustoffindustrie• Grundstoff für den Kunststoff Cellophan

Baumwollernte

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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

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V 3: Verseifung von Pflanzenölen

R1 -R 3 = Reste der jeweiligen Fettsäure

= R

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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

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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

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Gliederung

1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz

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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)

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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

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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

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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

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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

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Phenylpropanoide

• abgeleitet von Benzolring mit C3-Seitenkette• wichtige Funktionen:

– Antibiotika, Signalsubstanzen, Lockmittel, Lichtschutz, Gerüstmaterial,…

• Bsp.: Phenole, Flavonoide, Cumarine, Tannine, Lignin

C3

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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,…)

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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

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Carotinoide

• Carotine: bestehen aus Kohlenstoff und WasserstoffStruktur von -Carotin:

• Xanthophylle: enthalten zusätzlich SauerstoffatomeStruktur von Zeaxanthin

OH

OH

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Gliederung

1. Pflanzen2. Nutzung von Pflanzen3. Elementare Zusammensetzung4. Primäre Pflanzeninhaltsstoffe5. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe6. Schulrelevanz

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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

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Vielen Dank

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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

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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