Medizinisch relevante Wirkstoffe: Alkaloide, Terpene, Steroide und Vitamine

Wozu dient der Primärstoffwechsel?

Dient der Synthese und Umwandlung von für alle Organismen lebensnotwendigen Naturstoffen (z. B. Aminosäuren, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, Fette).

Wozu dient der Sekundärstoffwechsel?

Bildet spezielle Naturstoffe, die von Organismus zu Organismus sehr unterschiedlich sind (z. B. Alkaloide, Terpene, Steroide). Sie haben oft spezielle Wirkungen auf andere Lebewesen (z. B. als Gifte oder Heilmittel).

Was sind Alkaloide?

Naturstoffe mit einer basischen Stickstoff-Funktionalität, die meist aus Aminosäuren biosynthetisiert werden. (Ausnahme: Aminosäuren und Nukleinsäuren zählen trotz basischem N nicht dazu). Man klassifiziert Alkaloide anhand ihres botanischen Ursprunges oder ihrer Struktur(→ Heterocyclische Alkaloide (mit N-haltigem Ring)/ Alkaloide mit einem exocyclischen Stickstoff).

Was sind acyclische Alkaloide?

Acyclische Alkaloide sind basische Stickstoffverbindungen, die keinen Ring (keine cyclische Struktur) enthalten. Sie leiten sich biosynthetisch meist von Aminosäuren ab (z. B. von Ornithin).

Wichtige Beispiele (aus der Vorlesung):

• Putrescin: Entsteht durch Decarboxylierung von Ornithin, ist für den typischen Verwesungsgeruch von Fleisch verantwortlich.

• Spermidin: Kommt in allen Organismen vor und ist wichtig für das Zellwachstum.

• Spermin: Kommt u. a. in Sperma vor und stabilisiert dort die DNA.

Was sind Alkaloide mit exocyclischer Stickstoff? Nenne wichtige Beispiele.

Exocyclischer Stickstoff bedeutet, dass sich das basische Stickstoffatom außerhalb eines Ringsystems befindet. Die Verbindung kann zwar einen Ring (z. B. einen Benzolring) enthalten, aber das Stickstoffatom hängt als Seitenkette daran und ist nicht Teil des Rings.

Wichtige Beispiele (aus der Vorlesung):

• Ephedrin: Wirkt stimulierend und ist strukturell verwandt mit Methamphetamin.

• Adrenalin (Epinephrin): Ein Hormon und Neurotransmitter, das die Herzfrequenz steigert.

• Colchicin: Das Gift der Herbstzeitlose (wirkt als Mitose-Hemmer), wird aber auch medizinisch bei Gicht eingesetzt.

• Capsaicin: Der Scharfstoff in Chili (in der Vorlesung als Beispiel für ein Alkaloid mit exocyclischem N gezeigt).

Was sind die witchigsten cyclischen Grundgerüste von cyclischen Alkaloiden?

Die wichtigsten cyclischen Grundgerüste (N-haltige Ringe) sind:

• Tropan (z. B. in Atropin, Cocain)

• Pyrrolidin (z. B. in Hygrin)

• Piperidin

• Chinolizidin

• Indol (z. B. in Serotonin, LSD, Strychnin)

• Chinolin und Isochinolin (z. B. in Chinin, Morphin)

• Purin (z. B. in Koffein, Theobromin)

Nenne und beschreibe Pyrrolidin-Alkaloide (z. B. Hygrin).

Das Pyrrolidin-Gerüst ist ein fünfgliedriger, stickstoffhaltiger Ring. Der wichtigste Vertreter ist das Hygrin, welches aus der Aminosäure Ornithin biosynthetisiert wird. Hygrin kommt unter anderem in den Blättern der Coca-Pflanze vor.

Nenne und beschreibe Tropan-Alkaloide (z. B. Atropin, Cocain).

Das Tropan-Gerüst ist ein bicyclisches Ringsystem (ein Stickstoff-Brückenring).

• Atropin ist das Racemat von Hyoscyamin und das Gift der Tollkirsche (Atropa belladonna). Es wird in der Augenheilkunde verwendet und dient als Antidot (Gegengift) bei Giftgasen, die die Acetylcholinesterase hemmen.

• Cocain ist ein Tropan-Alkaloid aus der Coca-Pflanze (Erythroxylum coca).

Nenne und beschreibe Tropinon (Synthetische Vorstufe).

Tropinon ist ein Keton und die rein synthetische Vorstufe (Baustein) zur Herstellung von Atropin.

Nenne und beschreibe Morphin-Alkaloide (basierend auf Isochinolin).

Morphin ist das prototypische Opioid und leitet sich strukturell vom Isochinolin ab.

• Morphin ist der Hauptwirkstoff des Opiums (Schlafmohn).

• Codein und Codeinon sind natürliche, eng verwandte Begleitalkaloide (Codein wird oft als Hustenmittel eingesetzt).

• Heroin ist ein halbsynthetisches Derivat: Es handelt sich um den Di-Essigsäureester des Morphins. (Durch die Veresterung der beiden OH-Gruppen wird es lipophiler und gelangt viel schneller ins Gehirn).

Nenne und beschreibe Chinarinden- (Cinchona-) Alkaloide.

Diese Alkaloide werden aus der Rinde des Chinarindenbaums gewonnen. Der wichtigste Vertreter ist Chinin. Es ist ein seit Jahrhunderten bekanntes, sehr effektives Malariamittel. Zudem wird es in der Lebensmittelindustrie (z. B. als Bitterstoff in Tonic Water) und in der organischen Synthese als chiraler Katalysator/Hilfsstoff verwendet. Weitere Vertreter sind Chinidin, Cinchonin und Cinchonidin.

Nenne und beschreibe Indol-Alkaloide.

Diese Alkaloide basieren auf dem Indol-Grundgerüst (ein bicyclischer Ring aus Benzol und Pyrrol). Viele wirken stark auf das Nervensystem, da sie strukturell dem Neurotransmitter Serotonin ähneln.

• Serotonin: Ein körpereigener Neurotransmitter.

• Psilocybin: Ein Prodrug (Vorstufe) für halluzinogene Wirkstoffe (aus Pilzen).

• LSD (Lysergsäurediethylamid): Ein starkes Halluzinogen, das synthetisch aus der Lysergsäure hergestellt wird.

• Strychnin: Ein hochgiftiges Alkaloid (Krampfgift).

Nenne und beschreibe Purin-basierte Alkaloide.

Diese Verbindungen sind strukturell eng mit den Kernbasen der DNA/RNA (Adenin und Guanin) verwandt. Sie wirken meist stimulierend auf das zentrale Nervensystem.

• Koffein: Der bekannteste Vertreter (in Kaffee, Tee, Cola), wirkt anregend.

• Theobromin: Kommt hauptsächlich in Kakao und Schokolade vor und wirkt mild stimulierend und harntreibend.

Was sind Terpene?

Flüchtige (meist stark riechende) Kohlenwasserstoffe, benannt nach Terpentin.

Was ist die Isoprenregel?

Die Regel das alle Trepene 5n C-Atome haben und formell aus Isopren-Einheiten (C5) aufgebaut sind. Wobei man sie als entweder Hemiterpene (1x Isopren), Monoterpene (2x Isopren, z.B. Menthol), Sesquiterpene (3x Isopren) oder Diterpene (4x Isopren) einteilt.

Was sind Steroide?

Terpen-basierte Metaboliten(=Stoffwechselprodukt) mit einem charakteristischen tetracyclischen Gerüst (vier Ringe: A, B, C, D). Sie folgen nicht mehr der Isoprenregel.

Beschreibe die Biosynthese von Steroiden.

Die Biosynthese startet vom Triterpen Squalen (C30), welches aus sechs Isopren-Einheiten aufgebaut ist. Durch Cyclisierung und anschließende, vielfältige Modifizierungen (z. B. Abspaltung von Methylgruppen, Oxidation, Addition von Hydroxygruppen) entstehen daraus die verschiedenen Steroide. Diese haben diverse biologische Funktionen (Hormone, Vitamine, Gifte). Wichtige Beispiele sind Cholesterin, Testosteron, Progesteron, Cortison, Östron, Lanosterol und Vitamin D₃.

Was sind Vitamine?

Verbindungen, die der Körper nicht (in ausreichenden Mengen) selbst herstellen kann und die für lebenswichtige Funktionen (nicht als Energieträger) benötigt werden. Sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden (oft als Provitamine). Sie sind strukturell sehr unterschiedlich. Man unterscheidet dabei zwischen Wasserlöslichen- und Fettlöslischen-Vitaminen. Viele Vitamine wirken als Coenzyme.

Beschreibe Vitamin A und ihre Rolle.

Man nimmt Vitamin A über Retinol (Fisch, Leber) oder β-Carotin (Provitamin A, Karotten) auf. Beide werden im Körper zu Retinal umgewandelt, welches essenziell für den Sehvorgang ist.

Beschreibe welche Rolle Retinal(→ Ursprung: Vitamin A) bei der Phototransduktion(= Mechanismus des Sehvorgangs) hat.

Im Auge liegt Retinal als 11-cis-Isomer an das Protein Opsin gebunden vor (Rhodopsin). Ein Photon (Licht) führt zu einer Z/E-Isomerisierung (11-cis zu all-trans). Dadurch ändert sich die Geometrie des Rezeptors, was einen Nervenreiz ans Gehirn auslöst.