Sekundärstoffwechsel

Als Sekundärstoffwechsel wird der Aufbau von sekundären Naturstoffen bezeichnet. Während im Primärstoffwechsel lebensnotwendige Stoffe wie Aminosäuren, Zucker und Fette synthetisiert werden, ist der Sekundärstoffwechsel am Aufbau von Stoffen beteiligt, die zum Teil charakteristisch für eine Pflanze ist. Daraus folgend ist der Primärstoffwechsel bei nahezu allen Lebewesen gleich, während es eine große Vielfalt mit diversen Unterschiede im Sekundärstoffwechsel gibt.

Viel mehr unterscheidet sich der Sekundärstoffwechsel eines Organismuses von dem eines anderen und ist somit variabel je nach Art und nach spezifischer Zelle des Organismuses. Die daraus entstehenden Stoffe werden sekundäre Naturstoffe genannt. Daraus entsteht eine hohe Variabilität der sekundären Naturstoffe von deren 200 000 bekannt sind. Ihre Wirkung auf den jeweiligen Organismus sind dagegen oft unbekannt.

Die Einteilung in Primärstoffwechsel und Sekundärstoffwechsel ist jedoch eine von Forscher*innen vorgenommene Einteilung. Daher gibt es zwischen den beiden viele Überschneidungen und Ähnlichkeiten.

Folgende Abbildung zeigt eine sehr vereinfachte Darstellung des Sekundärstoffwechsels. Die Querverbindungen zum Primärstoffwechsel zeigen, dass es oft schwer ist, beide scharf voneinander zu trennen.

Vereinfachte Darstellung des Sekundärstoffwechsels

Grunsätzliche Wege, wie der Shikimisäureweg, bedienen sich im primären Stoffwechsel. Der Zuckerpool der Pflanzen selbst wird aus der Photosynthese gewonnen. Stickstoff kann über den Boden aufgenommen werden.

Der Aufbau der Biomoleküle geschieht Baustein für Baustein. Die Grundbausteine bestehen aus einem bis zu fünf Kohlenstoffatome. Größere Bausteine sind wiederum aus diesen Einheiten aufgebaut. Insbesondere C-2 (Acetyl-CoA) und C-5 (Isopreneinheiten) Bausteine sind in biosynthetischen Wegen oft verwendete Einheiten.

Baustein Molekül Wichtige Beispiele
C-1 S-Adenosylmethionin Methylierung von DNA, Methylierungen im Sekundärstoffwechsel
C-1 Tetrahydrofolsäure Reaktivierung von SAM
C-2 Acetyl-Coenzym A Einsatz in Citratzyklus, C-2 Baustein im Sekundärstoffwechsel
C-2 Malonyl-Coenzym A Aufbau von Polyketiden und Fettsäuren
C-5 DMAPP und IPP Aufbau von Terpenen

Im wesentlichen finden sich zwei wichtige Methylierungssubstanzen in Organismen. Auf der einen Seite S-Adenosylmethionin (SAM) und auf der anderen Tetrahydrofolsäure. SAM ist als Coenzym direkt am Aufbau von sekundären Naturstoffen beteiligt. Tetrahydrofolsäure ist dagegen in der Lage „verbrauchtes“ SAM zu reaktivieren, sein Methylgruppendonorpotential ist aber geringer.

Als C-2 Bausteine werden im Sekundärmetabolismus Acetyl-Coenzym A und Malonyl-Coenzym A verwendet. Das Coenzym A (CoA) aktiviert die Acetyl- und Malonyl-Gruppe, sodass diese leichter übertragen werden können. Dabei bildet CoA mit der Acetyl- und Malonylgruppe einen Thioester, der als Elektrophil von einem Nukleophil angegriffen werden kann. Durch dies Bildung des Thioesters ist diese Reaktion möglich, da andere Acetylübetrager (wie zum Beispiel Essigsäure) zu unreaktiv sind.

Acetyl-CoA und Malonyl-CoA können ebenfalls als Nukleophil reagieren. Davor muss zuerst das sogenannte Enolat gebildet werden. Dies kann säure- als auch basenkatalysiert ablaufen. Das entstandene Nukleophil kann nun elektrophile C-Atome angreifen und es kann so zu einer C-C Bindungsknüpfung kommen. Malonyl-CoA wird nach erfolgter Bindung meist decarboxyliert, sodass die C-2 Einheit freigesetzt wird.

Acetyl-CoA und Malonyl-CoA reagieren als Nukleophil

Der Vorteil von Malonyl-CoA gegenüber Acetyl-CoA ist die höhere Reaktivität. Wie erwähnt kann Malonyl-CoA als Nukleophil eine C-C Bindungsknüpfung eingehen. Entscheidend ist dabei die Bildung des Enolats. Dies ist bei Malonyl-CoA einfacher möglich, als bei Acetyl-CoA. Im sekundären Metabolismus ist daher Malonyl-CoA beim Aufbau von C-C Bindungsknüpfungen öfter zu finden. Acetylisierungen an Heteroatomen dagegen finden überwiegend mit Acetyl-CoA statt.

Als C-5 Baustein wird im sekundären Metabolismus DMAPP (Dimethylallylpyrophosphat) und sein Isomer Isopentenylpyrophosphat verwendet. Bei der Biosynthese von Terpenen sind diese beide Bausteine maßgeblich für den Aufbau des Kohlenstoffgerüstes verantwortlich.

Die Bausteine können selbst in zwei unterschiedlichen Biosynthesewegen bereitgestellt werden. Zum einen über den Mevanolatweg ausgehend von Acetyl-Coenzym A, zum anderen konnte ein Mevanolat unabhängiger Biosyntheseweg, der Methylerythritolphosphatweg entdeckt werden.1)


1)
M. Rohmer Nat. Prod. Rep. 1999, 16, 565–574 http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1999/NP/a709175c
  • sekundaerstoffwechsel
  • Zuletzt geändert: 06.05.2018
  • von Stephan Scheeff