Redoxchemie von bioaktiven pflanzlichen Sekundärmetaboliten

Sekundärmetaboliten (SM) kommen in relative großen Mengen und großer Vielfalt in Pflanzen vor. Nach allgemeiner Ansicht besteht der Hauptnutzen in Beiträgen zur chemischen Abwehr der Pflanze gegen mikrobielle Parasiten und tierische Fraßfeinde, aber auch gegen konkurrenzierende Pflanzen (Allelopathie). Umgekehrt sind SM aber auch für ihre heilende Wirkung als Arzneimittel bekannt, wenn sie wohldosiert zum Einsatz kommen. In beiden Fällen wird ein Binden an Rezeptortaschen von Proteinen, die für Acetylcholin, Adrenalin, Serotonin, - Aminobuttersäure (GABA), Adenosin oder Glutamat vorgesehen sind, eine Interaktion mir sekundären Botenstoffen (z.B. cAMP, cGMP) oder Hormonregulation (z.B. Auxine, Insektenantijuvenilhormone) als hauptsächlicher Wirkmechanismen angenommen. SM nehmen jedoch auch an redoxchemischen Reaktionen teil, in welchen ihre Reduktionskraft das Einfangen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) ermöglicht, die im Rahmen von abiotischen und biotischen Stress induziert werden. Dieser antioxidative Effekt wird besonders geschätzt, wenn SM als Nahrungsergänzungsstoffe fungieren und zur Gesundheit der Konsumenten beitragen sollen, indem die Entwicklung von altersbedingten Krankheiten, wie z.B. Krebs und anderen, verlangsamen. Dieser positive Effekt kann aber leicht in einen negativen umschlagen, wenn, anstatt ROS, molekularer Sauerstoff reduziert wird und als Folge oxidativer Stress erzeugt wiederum wird. Diese Redoxreaktionen sind im Zytoplasma von lebenden Zellen unvermeidbar und können daher als Komponente einer Prärezeptorchemie betrachtet werden. Dieses Projekt erforscht diese Prärezeptorchemie von ca. 70 ausgewählten SM, die aufgrund ihrer dokumentierten biologischen Aktivität und der Zugehörigkeit zu den wichtigsten SM Klassen, in der Regel toxische Effekte gegen Mikroorganismen, Insekten aber auch phytotoxische Wirkung ausgewählt wurden. Die Haupthypothese sieht einen nicht zu vernachlässigenden Anteil im Betrag redoxchemischer Reaktionen an der biologischen Aktivität der SM. Dabei sollen verschieden chemische, elektrochemische und massenspektroskopische Methoden zum Einsatz kommen. Redoxchemische Reaktionen mit ROS werden mit verschieden Varianten und Systemen des Deoxyriboseabbauassays charakterisiert werden. Insbesondere testen diese Assay ob die Testsubstanz molekularen Sauerstoff, Superoxid Anion Radikale, Wasserstoffperoxid, Hydroxylradikale oder auch Eisen (im Komplex mit der Testsubstanz oder EDTA, einem weitverbreiteten Eisenchelator) reduzieren kann. Voltammetrie, Differenzialpuls und Quadratwellen-voltammetrie informieren dann über Umkehrbarkeit und Nichtumkehrbarkeit der Oxidation der Testsubstanz. Die Folgereaktionen der Autoxidation der Testsubstanz sollen dann mit hochauflösender Massenspektroskopie untersucht werden.

Sekundärmetaboliten (SM) kommen in großer struktureller Vielfalt vor. Allgemein nimmt man an, dass sie dem Organismus helfen, in einer stark kompetitiven Umgebung zu überleben, entweder indem sie gegen Prädatoren schützen oder Mitbewerber schwächen. Unter anderem können SM auch mit reaktiven Sauerstoffspezies reagieren, der Bildung durch verschiedene biotische und abiotische Stressformen ausgelöst werden kann. Die Redoxreaktionen von bioaktiven Sekundärmetaboliten können einen wesentlichen Bestandteil ihrer Prärezeptorchemie darstellen. Ziel des Projekts war es daher, diese spezifische Redoxchemie genauer an ausgewählten Beispielen zu untersuchen. Sie wurden mit chemischen Methoden, dem Deoxyriboseabbauassay, und physikochemischen Methoden, wie z.B. hochauflösende Massenspektrometrie und elektrochemischen Methoden, differentieller Puls und Square-Wave Voltammetrie, untersucht. Innerhalb des Projekts wurde der Fokus auf Pflanzenmetabolite gelegt, für die innovative Perspektiven in der Humanphysiologie ebenfalls bekannt waren. Die Ergebnisse lieferten komplizierte Muster von pro- und antioxidativen Wirkungen der getesteten Verbindungen. Zum Beispiel werden Chinolinsäure und 3-Hydroxyanthranilsäure aufgrund ihrer pro-oxidativen Wirkung als Toxine angesehen, jedoch vermögen sie unter oxidativem Stress auf zellulärer Ebene auch als Antioxidanten zu wirken. Umgekehrt können aber auch Substanzen, die als effiziente Antioxidantien bekannt sind, wie z. B. Flavonoide und einfache phenolische Säuren, die Konzentration an reaktiven Sauerstoffspezies und damit die Zytotoxizität erhöhen. Demzufolge lassen die erhaltenen Ergebnisse die Schlussfolgerung zu, dass die erhöhende oder reduzierende Wirkung bezüglich reaktiver Sauerstoffspezies stark vom Reaktionsmilieu abhängig ist. Das erschwert eine ausschließliche Klassifizierung als zellschützende oder rein giftige Verbindung.