Biochemie und Physiologie der sekundären Pflanzenstoffe

277 Pages·1950·13.367 MB·German

by  Dr. Karl Paech (auth.)

LEHRBUCH DER PFLANZENPHYSIOLOGIE
ERSTER BAND J ZWEITER TEIL
BIOCHEMIE UND PHYSIOLOGIE
DER
SEKUNDAREN PFLANZENSTOFFE
VON
DR.KARL PAECH
PROFESSOR AN DER UNIYERSITXT TUBINGEN
MIT 18 ABBILDUNGEN
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH
1950
ISBN 978-3-662-27790-4 ISBN 978-3-662-29290-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-29290-7
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URSPRUNGLICHERSCHIENENBEI SPRINGER-VERLAG, BERLIN, GOTTINGEN AND HEIDELBERG 1950
SOFTCOVER REPRINT OF THE HARDCOVER 1ST EDITION 1950
MEINEM LEHRER
WILHELM HUHLAND
PROFESSOR DR.
ZU SEINEM 70. GEBURTSTAG
IN AUFRICHTIGER VEREHRUNG UND DANKBARKEIT
Vorwort.
Die meisten Pflanzen riechen oder schmecken eigenartig, viele enthalten
giftige, heilende oder technisch nutzbare Stoffe. Die Pflanzen sind duroh
ihre Inhaltsstoffe wahrsoheinlioh ebenso eindeutig zu oharakterisieren wie
duroh ihre Gestalt und Anatomie. Keinem einzelnen von uns ist es aber
heute mehr möglich, die Literatur über Pflanzenstoffe vollständig zu
sammeln oder gar zu verarbeiten, um etwa das Werk von CZAPEK in einem
ähnliohen Umfang fortzusetzen. Das hier gewagte Unternehmen, die
Überschau zu behalten, die für ein tieferes Verständnis der sog. sekundären
Pflanzenstoffe unerläßlich ist, und dazu dooh nur eine sehr knappe Aus
wahl von ihnen heranzuziehen, hat noch keinen Vorgänger in der Literatur.
Es ist daher fast selbstverständlich, daß sich subjektive Bevorzugungen,
einseitige Blickrichtungen, Fehlgriffe und andere Unzulänglichkeiten ein
geschlichen haben. . Die Ungunst der äußeren Bedingungen, die sich vor
allem in der schwierigen Beschaffung der ausländischen Literatur des
letzten Jahrzehnts bemerkbar machten, trug weiter dazu bei, daß dieser
erste Versuch mit einer Reihe erkannter und unerkannter Mängel be
haftet ist.
Ich halte aber die Zeit für gekommen, die Aufmerksamkeit einmal
von einem zentralen Standpunkt aus auf dieseE! ungeheuer weite und
mannigfaltige Gebiet des pflanzlichen Stoffwechsels zu lenken, dessen
verständnisvolles Studium eine ähnliche Fülle großartiger Zusammenhänge
und Gesetzmäßigkeiten zu enthüllen verspricht, wie sie die vergleichende
Morphologie für die Formbildung der Pflanzen aufgedeckt hat. Einer
vergleiohenden Biochemie und Physiologie der Pflanzen soll also der Weg
geebnet werden. Die Ausgangspunkte sind so ungleichwertig und zufällig,
wie sie bei dem meist zu rein praktischen Zwecken gesammelten Material
sein müssen. Das sinnlich Auffallende oder das technisch Brauchbare ist
sicher nicht immer auch das physiologisch Aufschlußreiche. Die Absicht
der vorliegenden Arbeit ist also, nicht nur ein Lehrbuch über unsere Kennt
nisse zu bieten, sondern auch anzuregen, dieses weite Feld pflanzlicher
Lebenstätigkeit mit biologisohen Blicken zu mustern. Es ist keine Frage,
daß die dabei zu erwartenden Einsichten und Ergebnisse sich rückwirkend
für die Gewinnung pflanzlicher Rohstoffe als vorteilhaft erweisen werden.
Nicht nur dem Biologen, sondern auoh dem Pharmazeuten und Chemiker
und jedem, der an dem Reichtum der Pflanzenprodukte teilhat, wollen
die hier zusammengestellten Tatsachen und Gedanken dienen. Mit diesem
Wunsch und in dieser Hoffnung übergebe ich das zunächst freilich frag
mentarische Werk, bei dem einiges zutreffend sein mag, anderes revidiert
und manches vielleicht ganz verworfen werden muß, der Öffentlichkeit,
nachdem ich bereits vor einigen Semestern an der Technischen Hochschule
Stuttgart und an der Universität Tübingen über dieses Thema gelesen
habe. Die Einfügung in das "Lehrbuch der Pflanzenphysiologie", die
zunächst nicht beabsichtigt war, kann nur sehr locker sein, da die Be
arbeitung des allgemeinen Stoffwechsels, der die Grundlage für die hier
behandelten Vorgänge abgibt, noch aussteht.
VI Vorwort.
Einige botanische Leser muß ich vielleicht wegen der zahlreichen
Formeln im Text beschwichtigen. Da die Naturstoffe nur einen eng be
grenzten Ausschnitt der organischen Chemie einnehmen, schließen die
hier gebrauchten Formeln längst nicht alle Komplikationen ein, denen
man bei der Struktur organischer Verbindungen begegnen kann. Die
geringe Mühe, die es kostet, sich mit der F~~melschrift vertraut zu machen,
wird meist sehr bald durch eine klarere Ubersicht über die Gestalt und
eine tiefere Einsicht in die Zusammenhänge der Naturstoffe belohnt.
Bei der Auswahl der Literaturzitate ließ ich mich davon leiten, neben
den wichtigsten grundlegenden Untersuchungen auf den einzelnen Teil
gebieten möglichst viele neueste Arbeiten nachzuweisen, auch wenn es
sich dabei nur um ganz spezielle Probleme handelt, weil man von da aus
sich leicht zu früheren Untersuchungen zurücktasten kann.
Bei der Umgestaltung der Vorlesungsniederschrift zum Buch habe
ich mich mancher Hilfe erfreuen dürfen. Einen hervorragenden Anteil
daran hat Herr Professor Dr. W. RUHLAND, der sich der Mühe unterzog,
das ganze Manuskript zu lesen, das er mit wertvollen Anmerkungen versah.
Herr Dr. phil. habil. J. WOLF hat den Abschnitt über die niederen Carbon
säuren ebenfalls kritisch durchgesehen, und Herr Studienreferendar W.
HEILIGMANN hat mich beim Lesen der Korrekturen unterstützt. Herr
Professor Dr. E. BÜNNING nahm mich, nachdem ich 5 Jahre ganz der
Botanik entfremdet war, mit großem Entgegenkommen in sein Institut
auf. Ihnen allen möchte ich auch an dieser Stelle meinen herzlichen Dank
zum Ausdruck bringen. Dem Verlag, der auf die technische Ausgestaltung
des Buches große Mühe und Sorgfalt verwendet hat, bin ich ebenfalls zu
Dank verbunden.
Tübingen, Januar 1950.
K. PAECH.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
1. Einleitung . . . . . . . . . . . . 1
H. Allgemeine Formen des Stoffwechsels 5
A. Einheitlichkeit und Mannigfaltigkeit 5
B. Kettenprozesse . . . . . . . . . . 6
C. Ausscheidung aus dem Stoffwechsel 9
D. Die Gruppenübertragung 15
1. Übersicht. . . 15
2. Glykosidbildung 17
a) Allgemeines 17
b) Glykosidasen . . . . . . . . . . 20
c) Senfölglykoside und Nucleinsäuren 23
d) Transglykosidierung 24
e) Entgiftung . . . . 27
f) Glykosidhaushalt . 29
E. Die Häufigkeitsregel . . 29
IIl. Die niederen Carbonsäuren . 31
A. Überblick . . . . . . . .31
B. Der diurnale Säurerhythmus 33
C. Chemische Zusammenhänge der pflanzlichen Säurebildung 40
1. Die C -Dicarbonsäuren . . 41
4
2. Die Tricarbonsäuren . . . . . 44
a) Der Citronensäureabbau .. 44
b) Der Tricarbonsäurekreislauf . 47
c) Die Anwendung auf den diurnalen Säurerhythmus . 51
3. Die Essigsäure ..... . 52
4. Die ltakonsäure. . . . . . . . . . . . . . . . 54
5. Die C.-Monocarbonsäuren ........... . 55
6. Die Oxalsäure. . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7. Weinsäure, Milchsäure und einige weitere Säuren. 62
D. Fruchtreifung und Säureumsatz . . . . . . . . . . 64
E. Die physiologische Bedeutung der Säuren für die Pflanzen. 66
IV. Der Fettstoffwechsel der Pflanzen 71
A. Allgemeine Eigenschaften der Fette . . . . 71
B. Die Bedeutung des Fettes für die Pflanzen 74
C. Fettbildung in reifenden Samen ..... . 75
D. Die Mobilisierung des Fettes in keimenden Samen 76
E. Fette in anderen Organen und in Mikroorganismen 80
F. Der Chemismus der pflanzlichen Fettsynthese . 83
G. Die pflanzlichen Wachse 85
H. Cutin und Suberin .. 87
V. Die Terpenverbindungen . . 88
A. Allgemeiner Überblick : 88
B. Der chemische Aufbau der Terpene 91
1. Die offenen Terpene . . . . 91
a) Mono- und Sesquiterpene .. 91
b) Diterpene . . . . . . . . . 95
c) Tri- und Tetraterpene . . . . 97
d) Kautschuk, Guttapercha usw. 99
VIII Inhaltsverzeichnis.
Seite
2. Die cyclischen Terpene 100
a) Monoterpene . . . . 100
b) Bicyclische Monoterpene . 105
c) Sesqui- und Diterpene. 107
d) Triterpene . . . . . . . HO
e) Tetraterpene . . . . . . H7
C. Der Anschluß der Terpenbildung an den allgemeinen Stoffwechsel 124
1. Die Isoprenhypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
2. Andere Vorstellungen über die Genese der Terpene. . . . 126
D. Die Entstehung der Terpenverbindungen in der Einzelpflanze 12S
1. Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12S
2. Ätherische Öle und Harze . . . . . . . . . . . . 130
3. Der Exkretionsvorgang ............. 133
4. Die Physiologie der Polyterpene (Kautschukbildung) 137
E. Die Bedeutung der Terpenverbindungen für die Pflanze 141
1. Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . 141
2. Die Äthylenwirkung . . . . . . . . . . 143
3. Die Wirkung ätherischer Öle und Harze. 145
4. Die Saponine, Digitahsglykoside u. ä. . . 147
VI. Die stickstofff reien aromatischen Verbindungen. 148
A . .Allgemeines . . . . . . . . . . . . 148
B. Die hydroaro~atischen Verbindungen 150
1. Inosit. . . 150
2. Chinasäure 153
C. Die Phenole . 154
1. Phloroglucin . 155
2. Die Gerbstoffe. 156
3. Zweiwertige Phenole . 160
4. Polyphenolasen . .. .. . 162
5. Phenol und andere einfache Benzolderivate 164
D. Die Phenyl.Propan-AbkömmIinge . . . 164
1. Die Zimtsäure und ihre Verwandten 165
2. Ligninbildung . . . . . . . . . . 169
a) Der chemische Bau des Lignins . 169
b) Der Vorgang der Verholzung. . . 171
3. Vanillin und ähnliche natürliche Benzolderivate 173
E. Verbindungen mit kondensierten Benzolkernen 173
1. Naphthalinderivate . . . . . . . . . . . . 173
2. Anthrachinonderivate. . . . . . . . . . . 174
F. Die Flavanabkömmlinge (Flavone, Anthocyane, Katechingerbstoffe) . 176
1. Das Hesperitin und andere Flavanone . 176
2. Die Chemie der Anthocyane . . . . . 178
3. Die Chemie der Flavone und Flavonole 182
4. Die Chemie der Katechine . . . . . . 185
5. Die natürlichen Farbtönungen . . . . . . 186
6. Synthese und Umsatz der Flavanderivate in Pflanzen. 189
7. Die Verankerung der Flavanderivate an Genen. . . . . . . 199
8. Die Bedeutung der Anthocyane und Flavone für die Pflanze 201
VII. Die stickstoffhaitigen sekundären Pflanzenstoffe. (Die Verwandten der Amino-
säuren) ....... . 203
A. Allgemeiner Überblick . . . . . . . . . . 203
Inhaltsverzeichnis. IX
Seite
B. Die biogenen Amine und die Betaine 204
1. Allgemeines . . . . . . . . 204
2. Betaine ............ . 206
3. Einige aromatische Amine . . . . 207
C. Die heterocyclischen N-haltigen Verbindungen. 209
1. Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
2. Die Entstehung und Verbreitung der Alkaloide. 211
a) Die Verbreitung im Pflanzenreich . . . . . 211
b) Die Bildung von Alkaloiden in den Wurzeln 212
3. Die Hauptgruppen von Alkaloiden 216
a) übersicht. . . . . . . . . . . . . 216
b) Die Purinderivate . . . . . . . . . 217
c) Pyrrolidin-Abkömmlinge ..... . 220
d) Piperidin- und Pyridin-Abkömmlinge 220
e) Einige Alkaloide mit dem Tropangerüst ...... . 223
f) Einige Alkaloide mit Chinolin- und Isochinolinringen . 227
g) Die Steroidalkaloide .............. . 231
h) Die Alkaloide des Mutterkorns und einige Pilzgifte 232
4. Die Vergesellschaftung von Haupt- und Nebenalkaloiden am Beispiel der
Tabakalkaloide . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5. Die Verwandten des Tryptophans. . . . . . . . 238
6. Versuche zur Biogenese der Alkaloide . . . . . . 245
7. Einige einzelnstehende N-haltige sekundäre Stoffe 248
D. Die Blausäureverbindungen 250
E. Die Senföle 252
VIII. Rückblick 254
Literatur 258
Sachverzeichnis. 264
I. Einleitung.
Der allgemeine Stoffwechsel (Kohlenhydratabbau, Eiweißumsatz) ver
läuft im tierischen und im pflanzlichen Organismus in ganz ähnlichen
Bahnen, auf weite Strecken hin sogar völlig identisch. Die Differenzierung
setzt erst im Anschluß an diese primären Vorgänge ein. Das Tier bringt
ne.ue chemische Verbindungen meist nur in winzigen Mengen, in erster
Linie zur Steuerung seiner Lebensvorgänge, hervor und ist dabei oft noch
aUf die Zulieferung ziemlich komplizierter Bausteine aus dem Pflanzenreich
angewiesen. Die Pflanzen hingegen, vor allem die autotrophen, schaffen
vermöge von Fähigkeiten und Eigenheiten, die wir noch nicht ganz durch
schauen, eine üppige Fülle verschiedenartiger chemischer Verbindungen
zum Teil in so großen Mengen, daß sie noch bis in unsere technisch hoch
entwickelte Zeit als wohlfeile Rohstoffe für be~eutende Industrien genutzt
werden, wie Kautschuk, Harze, ätherische OIe, Gerbstoffe, Farbstoffe,
Kork, Holz, Alkaloide, Vitamine usw.
Bisher stand der Nutzen für das menschliche Leben bei allen diesen
Pflanzenstoffen so stark im Vordergrund, daß deren Einteilung und nähere
Untersuchung meist mit solchen praktisch-technischen, pharmakologischen
oder kommerziellen Absichten und seltener mit Rücksicht auf ihre Funktion
in den Pflanzen vorgenommen wurden. Dieses technische Interesse führte
zu einer hemmenden Verengung der Gesichtswinkel und ist sicher zu einem
grüßen Teil schuld daran, daß uns diese Stoffe trotz der schon sehr weit
getriebenen Aufklärung ihrer chemischen Konstitution doch bisher noch
recht rätselhaft in ihrer Rolle im pflanzlichen Stoffumsatz geblieben sind.
Das mangelhafte Wissen über Herkunft und Umsetzung dieser bunten Schar
von Verbindungen hat gewiß auch andere weniger willkürliche Gründe.
Solange primäre Stoffwechselvorgänge wie die Kohlensäureassimilation
in der grünen Pflanze noch ungeklärt sind, oder der Abbau der Kohlen
hydrate im Zuge der Atmung erst auf langwierigen Umwegen hat aufgehellt
werden müssen, solange mußten diese abgeleiteten Stoffe naturgemäß
zurückstehen.
Da sich viele von ihnen durch Geruch, Farbe oder andere Reizwirkungen
als physiologisch besonders aktiv bekunden, haben die Biologen mit Vor
liebe ihre Aufmerksamkeit auf Zweck und Nutzen dieser Stoffe im pflanz
lichen Leben gelenkt und deren tatsächliche oder vermeintliche ökologische
Bedeutung gewürdigt. Ihre Entstehung hingegen ist meist noch in Dunkel
heit gehüllt. Sie stellen ein weites Gebiet vernachlässigter Stoffwechsel
beziehungen dar, und selbst wenn es zuträfe, daß viele von ihnen nur
Abfallprodukte, "Hobelspäne", beim Aufbau des Organismus sind, so würden
sie kein geringeres physiologisches Interesse verdienen, denn auch dann
könnte die Kenntnis ihrer Entstehung Einblicke in das komplizierte Ge
triebe der wesentlichen Stoffumwandlungen vermitteln, Der große Reich
tum an Naturstoffen ist ein Charakteristikum der pflanzlichen Organismen,
und erst die Aufdeckung der Genese all dieser Verbindungen und ihre
Einordnung in das Spiel des Stoffwechsels kann die ganze Weite der
synthetischen Fähigkeiten zeigen, über die die Pflanzenzelle verfügt. Wenn
auch nicht alle Pflanzen in gleichem Ausmaß daran teilhaben, so sind diese
P~h, Pflanzenphysiologie, Ib. 1