Terpene

Terpene sind aus der C5-Isopreneinheiten aufgebaut und besitzen keine funktionellen Gruppen. Jedoch können sie glycosidisch gebunden sein oder aber auch mit anderen Gruppen (Alkohol, Aldehyd, Ether, Keton, Säure und Ester) verknüpft sein, die dann funktionelle Gruppen tragen. Diese funktionalisierten Terpene werden Terpenoide genannt.

Terpene bilden in der Natur eine wichtige Stoffklasse, die weit verbreitet ist – so sind Terpene zum Beispiel Bestandteil vieler ätherischer Öle. Aufgrund ihrer weiten Verbreitung (es sind über 35.000 Terpenoide bekannt) sind keine allgemeingültigen Aussagen über Terpenoide in Bezug zu ihrer Wirkung und Funktion möglich. Sie stellen die größte Naturstoffgruppe dar.

Isopren

Reine Terpene sind unpolare, lipophile Substanzen, die in Mono-, Sesqui-, Di-, Tri-, Tetra- und Polyterpene unterteilt werden. Die Unterteilung ergibt sich aus der Anzahl der C5 Bausteine. Monoterpene sind aus 10 C Atomen aufgebaut, Sesquiterpene aus 15, Diterpene aus 20, Triterpene aus 30, Tetraterpene aus 40 und Polyterpene aus 5x n C Atomen.

Die Terpene sind durch ihren lipophilen Charakter Fett- und Öllöslich. Dadurch findet man die unpolaren Mono- und Sesquiterpene vorallem in ätherischen Ölen. Terpenoide sind dagegen wiederum polarer und auch wasserlöslich.

Terpenbiosynthese

Terpene leiten sich von ihrer Form von Isopren ab. In der Biosynthese werden diese jedoch nicht aus Isopren hergestellt, sondern aus Isopentenylpyrophosphat – der aktivierten Form des Isoprens. Dieses isomerisiert – katalysiert durch die IPP Isomerase – zum Dimethylallylpyrophosphat und kann dann durch die Dimethylallyltransferase zum Geranylpyrophosphat umgesetzt werden. Aus Geranylpyrophosphat werden dann direkt Monoterpene gewonnen. Durch weitere Anknüpfungen von Isopentenylpyrophosphat werden die Vorläufer der Sesqui-, Di-, Tri-, Tetra- und Polyterpene gewonnen.

Beispiel Menthol, Carvon & Limonen

Synthese von Menthol, Carvon & Limonen

Sowohl Menthol, Carvon als auch Limonen – allesamt monocyclische Monoterpene – werden aus Geranylpyrophosphat biosynthetisiert. Im ersten Schritt wird Geranylpyrophosphat zu Limonen cyclisiert. Es folgt die Oxidation eines ungesättigten Kohlenstoffatoms zum Alkohol. Dabei kann werden zwei verschiedene Verbindungen gewonnen. Aus dem Carveol kann dann durch eine weitere Oxidation das Carvon gewonnen werden. In mehreren Schritten entsteht aus der anderen Verbindung das Menthon welches zum Menthol reduziert werden kann. Bei dieser Biosynthese sieht man die Bildung mehrerer wichtiger Terpenoide aus einer Vorläuferverbindung, dem Geranylpyrophosphat.

Steroide

Auch Steroide sind Terpenoide. Diese werden jedoch gesondert unter dem Punkt Steroiden betrachetet.

Duftstoffe

Ätherischen Öle verdanken ihren spezifischen Geruch oft den Terpenen, darunter vor allem die leicht flüchtigen Mono- und Diterpenen. In folgender Tabelle sind die Bestandteile einiger Terpene in verschiedenen ätherischen Ölen aufgeführt.

Ätherisches Öl Terpen Anteil
Minzöl (Mentha arvensis L.) Menthol bis 90%
Minzöl (Mentha spicata L.) (-)-Carvon bis 70%
Kümmelöl (Carum carvi L.) (+)-Carvon bis 60%
Rainfarnöl (Tanecetum vulgare L.) (-)-Thujon bis 70%
Corianderöl (Coriandrum sativum L.) (S)-Linalool über 70 %
Orangenöl (Citrus aurantium L.) (+)-Limonen bis 97%

Citronellal (+)-α-Thujon β Carotin

Diese Liste liese sich nach belieben fortsetzen. Weitere Vertreter von terpenoiden Duftstoffen sind Citronellal, Pinen, Campher, Borneol, Eucalyptol, Geraniol und Citral. Je nach Wahl des Extraktionsverfahrens (Wasserdampfdestillation oder Extraktion) ist die Zusammensetzung der ätherischen Öle unterschiedlich. Insbesondere die Terpene lassen sich bei der Extraktion mit möglichst unpolaren Lösungsmittel (Petroläther, n-Hexan) isolieren.

Farbstoffe

Zu den Farbstoffen zählen die Carotine. Sie bestehen aus 8 Isopreneinheiten und haben folglich ein C40 Grundgerüst. Sie besitzen keine funktionelle Gruppen und sind daher unpolar. Auf Grund dessen sind diese fett- und nicht wasserlöslich. Dies schränkt ihre Bioverfügbarkeit ein. Ihre Farbe (gelb bis rot) verdanken Carotine ihre delokalisierten Doppelbindungen, die Licht bestimmter Wellenlängen im sichtbaren Bereich aufnehmen. Bekanntester Vertreter der Carotine ist neben Lycopin das β Carotin, welches die Vorstufe von Vitamin A ist.

In der Lebensmittelindustrie werden Carotine in Tierfutter verwendet. Diese Farbstoffe führen in Lachsfutter dazu, dass das Lachsfleisch immer die gleiche Farbe hat und in Hühnerfutter wird so bestimmt, welche Farbe der Eidotter hat, der je nach kulturelle Vorliebe hellgelb bis leicht rötlich sein soll.

Iridoide

Iridoide sind cyclische Monoterpene mit mindestens zwei funktionellen Gruppen. Die meisten Iridoide sind Glycoside. Dadurch sind sie gut Bioverfügbar, da wasserlöslich. Diese Glycoside besitzen pharmakologische Wirkungen auf den menschlichen Körper. Hauptsächlich sind dabei antimikrobielle Wirkungen zu sehen. Sowhol Eisenkraut, Teufelskrallenwurzel als auch Waldmeisterkraut enthalten Irdioide. Exemplarisch dafür ist das Aucubin welches in zum Beispiel Mönchspfefferkraut, Augentrostkraut, Spitzwegerich oder der Wollblume enthalten ist.

Polyterpene

Polyterpene bestehen aus n Isopreneinheiten, wobei n die Größe von mehreren tausend erreichen kann. Dadurch werden diese Polyterpene fest beziehungsweise sehr zäh. Sie haben eine enorme Bedeutung für die Industrie. Zu den Polyterpenen zählt der Naturkautschuk, welcher zur Gummiproduktion eingesetzt wird. Diese Polymere spielten vorallem zu Beginn der Industrialisierung bis zur Entdeckung der synthetischen Polymere (PVC, Plastik) eine entscheidende Rolle. Deswegen ist es nicht verwunderlich, dass während des zweiten Weltkriegs die IG Farben Werke ihr Hauptaugenmerk auf die damals teure BuNa (Synthesekautschuk) Produktion legte, da Naturkatuschuk nicht mehr importiert werden konnte.