NaturstoffthernleMikrobielle, pflanzliche

und tierische Naturstoffe

vonProf. Dr. sc. nat . Peter Nuhn

Halle/Saale

1. Einleitung 2 0

1 .1 .

Entwicklung der Naturstoffchemie 2 0

1 .2 .

Verbreitung der Naturstoffe 2 3

1 .3 .

Biologische Wirkungen von Naturstoffen 2 5

1 .4 .

Isolierungs- und Trennmethoden 3 1

1 .5 .

Methoden der Strukturaufklärung 3 7

1 .6 .

Molekulare Evolution 4 61 .6 .1 .

Chemische Evolution 4 81 .6 .2 .

Biochemische Evolution 5 1

1 .7 .

Synthesen 551 .7 .1 .

Biosynthesen 551 .7 .2 .

Chemische Synthesen 581 .7 .3 .

Biotechnologische Verfahren 621 .7 .4 .

Bioorganische Photochemie 64

Grundbausteine der Organisme n

2. Aminosäuren, Peptide und Proteine 6 7

2 .1 .

Aminosäuren 672.1 .1 .

Struktur 672 .1 .2 .

Nomenklatur 6 92 .1 .3 .

Vorkommen 7 02 .1 .4 .

Synthesen 7 22 .1 .4 .1 . Biosynthesen 7 22 .1 .4 .2 . Chemische Synthesen 7 3

2 .2 .

Peptide und Proteine 7 62 .2 .1 .

Peptidbindung 7 62 .2.2 .

Nomenklatur 7 7

2 .3 .

Chemische Eigenschaften und Analytik 7 82 .3 .1 .

Reaktionen funktioneller Gruppen der Aminosäuren 7 82 .3 .1 .1 . Reaktionen der Aminogruppe 7 92 .3 .1 .2 . Reaktionen der Carboxylgruppe 8 12 .3 .1 .3 . Reaktionen weiterer funktioneller Gruppen 81

2 .3 .2.

Spaltung der Peptidbindung 8 62 .3 .2 .1 . Nicht-enzymatische Methoden 8 62 .3 .2 .2 . Enzymatische Methoden 8 72 .3 .3 .

Analytik 8 8

2 .4 .

Strukturebenen der Proteine 8 92 .4 .1 .

Primärstruktur 9 02 .4 .1 .1 . Aminosäureanalyse 9 02 .4 .1 .2 . Endgruppenbestimmung 9 02 .4 .1 .3 . Sequenzanalyse 9 12 .4 .2 .

Sekundärstrukturen 942 .4 .2 .1 . Helixstrukturen 9 62 .4 .2 .2 . Faltblattstrukturen 9 82 .4 .3 .

Tertiär- und Quartärstrukturen 9 9

2 .5 .

Physikalisch-chemische Eigenschaften 10 12 .5 .1 .

Ampholyteharakter 10 12 .5 .2 .

Löslichkeit 1022 .5 .3 .

Hydratation 1042 .5 .4 .

Denaturierung 10 42 .5 .5 .

Spektroskopie 105

2 .6 .

Biologisch aktive Peptide und Proteine 1062 .6 .1 .

Enzyme 1082 .6 .1 .1 . Klassifizierung 1082 .6 .1 .2 . Bau der Enzyme 1082 .6 .1 .3 . Mechanismus der Enzymkatalyse 11 22 .6 .1 .4 . Enzyminhibitoren 11 42 .6 .1 .5 . Trägergebundene Enzyme 11 62 .6 .2 .

Immunoglobuline 11 72 .6 .3 .

Lectine 12 02 .6 .4 .

Toxine 1222 .6 .4 .1 . Schlangengifte 1222 .6 .4 .2 . Bienengift 1222 .6 .4 .3 . Gifte des Grünen Knollenblätterpilzes 1232 .6 .4 .4 . Bakterielle Toxine 12 5

2 .7 .

Skleroproteine 12 52 .7 .1 .

Kollagengruppe 12 62 .7 .2 .

Keratine 12 72 .7 .3 .

Fibrilläre Proteine der Muskelzellen 1282 .7 .4 .

Seiden-Fibroin 12 82 .7 .5 .

Fibrinogen-Fibrin 12 9

2 .8 .

Konjugierte Proteine (Proteide) 1302 .8 .1 .

Phosphoproteine 13 02 .8 .2 .

Metalloproteine 13 22 .8 .3 .

Lipoproteine 13 4

2 .9 .

Peptidsynthesen 13 52 .9 .1 .

Totalsynthese von Peptiden 13 52 .9 .1 .1 . Allgemeine Probleme 13 52 .9 .1 .2 . Schutzgruppen 13 62 .9 .1 .3 . Aktivierung der Carboxylgruppe, Methoden zur Knüpfung der Peptidbindung

1392 .9 .1 .4 . Taktik und Strategie 142

2 .9 .1 .5 . Synthese von cyclischen Peptiden 145

2 .9 .1 .6 . Synthese von Polyaminosiiuren und sequentiellen Polypeptiden 14 8

2 .9 .2 .

Chemische Modifizierung von Proteinen 15 0

3 .

Kohlenhydrate 154

3.1 .

Monosaccharide 15 4

3.1 .1 .

Struktur und Vorkommen 15 43.1 .1 .1 . Nomenklatur 15 43.1 .1 .2 . Struktur der Monosaccharide in Lösung 15 63.1 .1 .3 . Vorkommen 15 8

3.1 .2 .

Physikalisch-chemische Eigenschaften der Monosaccharide 16 43.1 .3 .

Reaktionen der Monosaccharide 16 63 .1 .3 .1 . Einwirkung von Basen und Säuren 16 6

3.1 .3 .2 . Ester 16 8

3 .1 .3 .3 . Acetale und Ketale 17 13.1 .3 .4 . Ether 17 23.1 .3 .5 . Intramolekulare Ether (Anhydrozucker) und Acetale (Zuckeranhydride) 17 3

3.1 .3 .6 . Osazone 17 43.1 .3 .7 . Glycoside 17 43 .1 .3 .8 . C-Glycosyl-Verbindungen 18 03.1 .3 .9 . Oxidationsprodukte 18 1

3 .1 .3 .10 . Reduktionsprodukte 18 43 .1 .3 .11 . Nachweis und Bestimmung der Kohlenhydrate 18 53.1 .4 .

Synthesen 18 73.1 .4 .1 . Biosynthesen 18 73.1 .4 .2 . Abiogene Synthese 18 9

3.2 .

Oligo- und Polysaccharide 19 1

3.2 .1 .

Bindungstypen 19 13.2 .2 .

Methoden der Strukturaufklärung 19 13.2 .2 .1 . Fragmentierung nativer Polysaccharide 1933.2 .2 .1 .1 . Chemische Methoden 193

3.2 .2 .1 .2 . Enzymatische Methoden 1933 .2.2 .2 . Fragmentierung selektiv modifizierter Polysaccharide 19 43 .2.2 .2 .1 . Methylierung 19 4

3 .2 .2 .2 .2 . Periodatoxidation 19 53 .2 .2.2 .3 . Substitutionen in 2- und 6-Stellung von Glycopyranosiden 19 83 .2 .3 .

Oligosaccharide 19 93 .2 .4.

Polysaccharide 20 13 .2 .4 .1 . Nomenklatur 20 23 .2 .4 .2. Eigenschaften 20 33 .2 .4 .2 .1 . Chemische Eigenschaften 20 33 .2 .4 .2 .2 . Physikalisch-chemische Eigenschaften 2063 .2 .4 .3 . Homopolysaccharide 209

- 3 .2 .4 .3 .1 . Glucane 2093 .2.4.3 .2 . Galactane 21 5

3 .2 .4.3 .3 . Fructane 21 6.3 .2 .4 .4. Heteropolysaccharide 21 73 .2 .4 .4.1 . Glycane 21 73 .2 .4 .4.2 . Glycuronane 21 73 .2 .4 .4 .3 . Glycanoglycuronane 219

3 .2.4 .5 . Komplexe Polysaccharide 21 93 .2.4 .5 .1 . Kohlenhydrat-Protein-Verbindungen 21 9

. 3 .2.4 .5 .2 . Strukturelemente der bakteriellen Zellwand 22 53 .2 .5 .

Synthesen 23 13 .2 .5 .1 . Biosynthesen 23 13 .2 .5 .2 . Chemische Synthesen 23 2

4. Nucleoside, Nucleotide und Nucleinsäuren 23 6

4.1 .

Bausteine der Nucleinsäuren 23 64 .1 .1 .

Nucleoside 23 64 .1 .1 .1 . Struktur 23 64 .1 .1 .2 . Synthese der Basen 24 04 .1 .1 .3 . Nucleosidsynthesen 24 14 .1 .2.

Mononucleotide 24 34 .1 .2.1 . Struktur 24 34 .1 .2.2 . Biosynthesen und Abbau 24 54 .1 .2.3 . Mononucleotidsynthesen 24 84 .1 .3.

Physikalisch-chemische Eigenschaften 25 04 .1 .3.1 . Tautomerie 25 04 .1 .3 .2 . Dissoziation 2504 .1 .3 .3 . Konformation 25 14 .1 .3 .4 . Elektronenspektren 2534 .1 .3 .5 . Chiroptische Eigenschaften 25 44 .1 .4 .

Chemische Reaktivität 25 54 .1 .4 .1 . Einwirkung elektrophiler Reagentien 25 64 .1 .4 .2 . Einwirkung nucleophiler Reagentien 2584 .1 .4 .3 . Hydrolytische Spaltung der glycosidischen Bindung 26 04.1 .5 .

Oligo- und Polynucleotide 26 14.1 .5 .1 . Allgemeine Struktur und Nomenklatur 26 14.1 .5 .2 . Oligo- und Pölynucleotidsynthesen 262

4.2 .

Nucleinsäuren 2684.2 .1 .

Einführung 2684 .2.2 .

Vorkommen und Primärstruktur der Nucleinsäuren 2694.2 .2 .1 . Desoxyribonucleinsäuren (DNS) 26 94.2 .2 .2 . Ribonucleinsäuren (RNS) 27 14.2 .2 .3 . Virale Nucleinsäuren 27 34.2 .3 .

Methoden der Sequenzanalyse 27 44.2 .3 .1 . Sequenzanalyse der RNS 27 44.2 .3 .2 . Sequenzanalyse der DNS 27 64.2 .4 .

Sekundär- und Tertiärstrukturen 28 04 .2 .4 .1 . DNS-Doppelhelix 28 14.2 .4 .2 . Ribonucleinsäuren 28 44 .2 .5 .

Physikalisch-chemische Eigenschaften 28 7

4 .3 .

Biosynthese der Nucleinsäuren und Proteine 29 0

5. Lipide und Membranen 29 7

5 .1 .

Allgemeine Einführung 29 7

5 .2 .

Fettsäuren 297

5 .2 .1 .

Strukturen und Verbreitung 298

5 .2 .2 .

Physikalisch-chemische Eigenschaften 303

5 .2 .3

Chemische Eigenschaften 304

5 .3 .

Einfache Lipide 307

5 .3 .1 .

Wachse 307

5 .3 .2 .

Fette 308

5 .4 .

Komplexe Lipide 31 1

5 .4 .1 .

Phospholipide 31 1

5 .4 .1 .1 . Glycerophospholipide 31 2

5 .4 .1 .2. Sphingophospholipide 32 2

5 .4 .2 .

Glycolipide 32 3

5 .4 .2 .1 . Glyceroglycolipide 32 35 .4 .2 .2. Sphingoglycolipide 323

5 .4 .2 .3. Glycolipide von Mycobakterien und Corynebakterien 32 7

5 .5 .

Membranen 32 7

5 .5 .1 .

Phospholipid-Aggregate 32 8

5 .5 .2 .

Die biologische Membran 33 0

Essentielle biologisch aktive Verbindungen

6 .

Vitamine, Coenzyme und Tetrapyrrole 335

6.1 .

Allgemeine Einführung 335

6.2 .

Fettlösliche Vitamine 3396 .2 .1 .

Vitamin A - Sehpigmente 339

6 .2 .2 .

Vitamin D 34 3

6 .2 .3 .

Chinone mit isoprenoider Seitenkette 34 56 .2 .3 .1 . Benzochinon-Derivate 34 66.2 .32 . Naphthochinon-Derivate 34 9

6 .3 .

Wasserlösliche Vitamine 35 2

6 .3 .1 .

Vitamin C 35 2

6 .3 .2 .

Vitamin B l - Thiaminpyrophosphat 35 56 .3 .3 .

Liponsäure 35 96 .3 .4.

Pteridin- und Benzopteridin-Derivate 3606 .3.4.1 . Heterocyclische Grundkörper 3606 .3 .4.2 . Folsäure 3636 .3 .4.3 . Vitamin B2 3676 .3 .5 .

Vitamin BB - Pyridoxalphosphat 370

6 .3 .6 .

Pantothensäure - Coenzym A 37 36 .3.7 .

Nicotinsäureamid - Pyridinnucleotide 3756 .3 .8 .

Biotin 37 76 .3 .9 .

Siderochrome 37 9

6 .4 .

Tetrapyrrole 38 1

6 .4 .1 .

Allgemeiner Aufbau der cyclischen Tetrapyrrole 38 16 .4 .2 .

Nomenklatur 38 16 .4 .3.

Synthesen 38 3

6 .4 .4.

Motall-Komplexe (Metalloporphyrine) 38 6

6 .4 .5 .

Eisen-Porphyrin-Komplexe 38 76 .4 .5.1 . Allgemeine Struktur 387

6 .4.5 .2 . Sauerstoffübertragende Hämoproteine 38 86.4 .5 .3 . Elektronenübertragende Hämoproteine 39 16 .4 .6 .

Chlorophylle 3946.4 .7 .

Corrinoide (Vitamin B12 ) 3976 .4 .8 .

Offenkettige Tetrapyrrole 400

7. Interzelluläre Regulationsstoffe 404

7 .1 .

Einleitung 404

7 .2 .

Hormone der Wirbeltiere 4067.2.1 .

Allgemeine Einführung 4067 .2 .2 .

Biogene Amine - Neurotransmitter 41 07 .2 .2 .1 . Acetyleholin 41 17 .2 .2 .2 . Catecholamine 41 47 .2 .2 .3 . Indolylethylamine 41 67 .2 .2 .4 . Histamin 41 77 .2 .3 .

Peptidhormono 41 87 .2 .3 .1 . Strukturelle Zusammenhänge 41 87 .2 .3 .2 . Hypothalamus-Neurohormone 41 97 .2 .3 .3 . Hypophysenvorderlappen-Hormone 42 27 .2 .3 .4 . Endorphine 42 67 .2 .3 .5 . Plazenta-Hormone 42 77 .2 .3 .6 . Hypophysenhinterlappen-Hormone 42 77 .2 .3 .7 . Hormone des Pankreas 43 07 .2 .3 .8 . Hormone der Schilddrüse und der Nebenschilddrüse 43 37.2.3 .9 . Thymushormone 43 57 .2 .3 .10 . Peptidhormone des Magon-Darm-Traktes (gastrointestinale Hormone) 43 57.2 .3 .11 . Weitere Peptide mit hormonähnlicher Wirkung 43 87 .2 .4 .

Steroidhormone 43 97 .2 .5 .

Eicosanoide 447

7.3.

Hormone der Wirbellosen 45 5

7 .4.

Pheromone 45 6

7.5 .

Regulationsstoffe der Pflanzen 45 87 .5 .1 .

Regulationsstoffe niederer Pflanzen 45 87 .5 .2 .

Regulationsstoffe höherer Pflanzen 4607 .5 .2 .1 . Auxine 46 17.5 .2 .2 . Cytokinine 4627.5 .2 .3 . Gibberelline 4637 .5 .2 .4 . Abscisinsäure 4647 .5 .2 .5 . Ethen 46 5

„Sekundäre" Naturstoffe

8. Isoprenoide Verbindungen : Terpene und Steroide 46 6

8 .1 .

Allgemeine Einführung 46 68 .1 .1 .

Ausgangsprodukte der Biosynthese 46 68 .1 .2 .

Bildung acyclischer Precursoren 46 88 .1 .3 .

Intramolekulare Cycloadditionen 46 98 .1 .4.

Umlagerungen von Carbokationen 472

8 .2 .

Terpene 47 58 .2 .1 .

Monoterpene 47 58 .2.2 .

Sesquiterpene 48 18 .2.3 .

Diterpene 48 48 .2.4 .

Sesterterpeno 4858 .2 .5 .

Triterpene ' 4868 .2.6 .

Tetraterpene 4908 .2.7 .

Polyterpene 49 4

8 .3 .

Steroide 49 58 .3.1 .

Nomenklatur 49 58 .3 .2 .

Stereochemio 49 68 .3 .3 .

Natürlich vorkommende Steroide 4988 .3.3 .1 . Sterole 49 88 .3 .3 .2 . Gallensäuren 5018 .3 .3 .3 . Cardenolide und Bufadienolide 5038.3 .3 .3 .1 . Cardenolide 5068 .3.3 .3 .2 . Bufadienolide 5088 .3 .3 .4 . Steroidsaponine ' 51 08 .3 .3 .5 . Steroidalkaloide 51 08 .3 .4 .

Steroidsynthesen 51 38 .3.4.1 . Partialsynthesen 51 38 .3 .4.1 .1 . Chemische Umwandlungen 51 58 .3 .4 .1 .2 . Mikrobiologische Umwandlungen 51 98 .3 .4 .2 . Totalsynthesen 51 9

9.

Aromatische Verbindungen 52 2

9.1 .

Allgemeine Einführung 52 29.1 .1 .

Oxidative Kupplung von Phenolen 52 29 .1 .2 .

Shikimisäure-Weg 52 39 .1 .3 .

Polyketid-Weg 525

9.2 .

Phenylpropan-Derivate 52 79 .2 .1 .

Einfache Phenylpropan-Derivate 52 79 .2 .2 .

Cumarine 52 99.2 .3 .

Lignane 53 09 .2 .4.

Lignin 53 1

9.3 .

Flavanoide 536

9 .4 .

Gerbstoffe 5419 .4 .1 .

Kondensierte Gerbstoffe 5419 .4 .2 .

Hydrolysierbare Gerbstoffe 543

9 .5 .

Polyketide 5449 .5 .1 .

Anthracen-Derivate 5469 .5 .2.

Ergochrome 5489 .5 .3.

Aflatoxine 548

9 .6 .

Cannabinoide 549

9 .7 .

Melanine 550

10. Alkaloide 55 3

10 .1 .

Allgemeine Einführung 55 3

10 .2 .

Biogene Amine, Protoalkaloide 55 710 .2 .1 . Phenylethylamine 55 810 .2 .2. IndolylalkyIamine 55 910 .2 .3 .

Inhaltsstoffe des Fliegenpilzes 56 010 .2 .4.

Colchiein-Gruppe 56 1

10 .3 .

Pyrrolidin-, Piperidin- und Pyridin-Alkaloide 562

10 .4.

Tropan-Alkaloide 56 5

10 .5 .

Pyrrolizidin- und Chinolizidin-Alkaloide . . . .

. 568

10 .6 .

Isochinolin-Alkaloide 56910 .6 .1 . Synthesen 56 910 .6 .1 .1 . Biosynthesen 56 910 .6 .1 .2 . Chemische Synthesen 57 1

10 .6 .2.

Benzylisochinoliin-Typ 57310 .6 .3. Pavin-Typ 57510 .6 .4. Protoberberin-Typ 57510 .6 .5.

Phthalidisochinolin-Typ 57610 .6 .6. Thebain-Morphin-Typ 57610 .6 .7 . Aporphin-Typ 57 810 .6 .8.

Bisbenzylisochinolin-Typ 57 810 .6 .9. Ipecaeuanha-Alkaloide 57 9

10 .7 .

Indol-Alkaloide 58010 .7 .1 .

Synthesen 58 1

10 .7 .1 .1 . Biosynthesen 58 1

10 .7 .1 :2 . Chemische Synthesen 58210 .7 .2. Yohimban-Typ 58510 .7 .3. Aspidosperman-Typ 58 610 .7 .4.

Catharanthus-Alkaloide 58 710 .7 .5. Strychnos-Typ 58810 .7 .6 . Pyridocarbazol-Alkaloide 59010.7 .7 .

Pyrrolidinoindol-Alkaloide 59010.7 .8 .

Ergolin-Alkaloide 590

10 .8 .

Chinolin-Alkaloide 59310.8 .1 .

China-Alkaloide 59310 .8.2 . Camptotheein 596

10 .9.

Chinazolin-Alkaloide 59 6

10 .10 .

Betalaine 597

11. Antibiolica 598

11 .1 .

Allgemeine Einführung 598

11 .2.

Antibiotisch wirkende Aminosäurederivate 60 111 .2 .1 . Aminosäure-Antagonisten 60 111 .2 .2 . fl-Lactam-Antibiotica 60211 .2 .3 .

Peptid-Antibiotica 60 911 .2 .4 .

Distamycin 610

11 .2 .5.

Actinomycine 61 111 .2 .6.

Depsipeptid-Antibiotica 61 2

11 .3 .

Aminoglycosid-Antibiotica 61 311 .3 .1 .

Streptomycin-Typ 61 511 .3 .2 . Neomycin-Typ 61 511 .3 .3 . Kanamycin-Typ 61 611 .3 .4 .

Spectinomycin 61 7

11 .4 .

Nucleosid-Antibiotica 61 7

11 .5 . ' Polyketid-Antibiotica 61 911 .5 .1 .

Glutarimid-Antibiotica '' 62011 .5 .2 .

Griseofulvin 62011 .5 .3 .

Tetracycline 62011 .5 .4 . Antibiotica der Anthracyclin-Gruppe 62 311 .5 .5 .

Cytochalasane - 62 3

11 .6 .

Polyether-Antibiotica 62 4

11 .7 .

Macrolid-Antibiotica 62 511 .7 .1 . 'Erythromyein- Gruppe 62511 .7 .2 . Carbomycin- Gruppe 62 611 .7 .3 . Avermeetine 62711 .7.4.

Polyen-Antibiotica 62 711 .7 .5 . Ansamycine 628

11 .8.

Chloramphenicol 62 9

11 .9.

Mitomycin-Gruppe 63 0

11 .10 .

Fosfomycin 63 1

. .ANHAN G

Literatur 63 2

Nomenklaturempfehlungen der IUPAC-IUB- Kommission für biochemische Nomenklatur 65 7

Verzeichnis der Abkürzungen 660

Sachverzeichnis 663