Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 26.01.18


Rekorde in der organischen Chemie

Vortrag von Johannes Hofmann im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Organischen Chemie", SS 2016


Gliederung:


Einstieg. Egal ob bei großen Autotreffen wie beim VW-Treffen am Wörthersee oder bei sportlichen Großereignissen wie den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro, egal ob Autonarr oder Spitzensportler, häufig geht es um Titel und Rekorde. Sowohl in Einzelwettkämpfen, als auch in Mannschaftswettbewerben werden Höchstleistungen vollbracht. Auch in der organischen Chemie sind einzelne Verbindungen oder Verbindungsklassen bekannt, die durchaus rekordverdächtige Eigenschaften aufweisen.


1 Allicin - der schlimmste Stinker

Viele schwefelhaltige Verbindungen aus der organischen Chemie weisen eine hohe Geruchsintensität auf. Zu diesen Verbindungen zählen unter anderem auch die schwefelhaltigen Substanzen, die in dem Sekret des Stinktiers enthalten sind. Der mitteleuropäische Geruchssinn kommt jedoch häufiger mit den olfaktorischen Eigenschaften einer Zutat in Kontakt, ohne die die mediterrane Küche kaum vorstellbar ist. Der unangenehme Geruch nach dem Verzehr von knoblauchhaltigen Nahrungsmitteln ist auf das Allicin und seine Stoffwechselprodukte zurückzuführen. Leider hat sich noch kein Freiwilliger bereit erklärt die Geruchsschwellenwerte der Verbindungen herauszufinden [1]. Daher soll das Allicin aufgrund der Alltagsnähe als "Schlimmster Stinker" in den Einzeldisziplinen in den Kampf um Spitzenplatzierungen eingreifen. 

1.1 Schutz vor Fressfeinden

Ganze Knoblauchzehen enthalten diese geruchsintensive Verbindung jedoch überhaupt nicht. Sie wird erst gebildet, wenn die Zellstruktur der Knoblauchzehe durch Fressfeinde - oder durch Köchinnen und Köche - zerstört wird. Denn durch die Zerstörung der Zellen wird das Enzym Alliinase freigesetzt. Dieses Enzym reagiert mit der geruchlosen Verbindung Alliin, die im Knoblauch vorhanden ist zu Allicin [2]


Abb. 1: Zersetzung des Alliins durch Alliinase (nach [3])

Neben seinem charakteristischen olfaktorischen Charakter weist das Allicin mikrobiozide Eigenschaften auf, wodurch der Knoblauch über einen wirksamen Schutzmechanismus vor Fressfeinden verfügt. 


1.2 Abbauprodukte des Allicins


Abb. 2: Selbstkondensation von Allicin zu E- und Z-Ajoen (nach [4])


Abb. 3: Reaktion von Allicin zu Dithiodipropylen und Allylsulfensäure (nach [5])

Für den unangenehmen Geruch des Knoblauchs ist jedoch das Allicin nicht alleine verantwortlich. So reagiert Allicin im wässrigen Milieu durch Selbstkondensation zu (E)- und (Z)-Ajoen sowie zu Dithiodipropylen, das zur Verbindungsklasse der Diallyldisulfide zählt. 


2 Capsaicinoide - die schärfsten Verbindungen

Neben den Einzelkämpfern existieren jedoch auch wahre Teamplayer unter den organischen Verbindungen. Zu diesen Teamplayern gehört die Verbindungsklasse der Capsaicinoide. Sie sind uns von den Pflanzen der Gattung Capsicum bekannt, deren Früchte als Gemüse und Gewürze alltäglich Verwendung finden. 

2.1 Klasse der Capsaicinoide


Abb. 2: Klasse der Capsaicinoide (nach [6])

Wie man es von richtigen Teamplayern erwartet stellen die Capsaicinoide ihre individuellen Eigenschaften in den Hintergrund und treten mannschaftlich geschlossen mit gemeinsamen chemischen Strukturelementen auf. Alle Verbindungen der Capsaicinoide lassen sich daher am charakteristischen Aufbau aus drei Strukturelementen erkennen. Diese sind der Vanilloide Ring, die Amidbindung und die hydrophobe Kohlenstoffkette. Im unterschiedlichen molekularen Aufbau der Kohlenstoffkette zeigen sich die individuellen Ausprägungen und Unterscheidungsmerkmale der jeweiligen Teammitglieder. 


2.2 Wechselwirkung von Capsaicin mit TRPV1


Abb. 9: TRPV1 mit geschlossenem Ionenkanal

Abb. 10: TRPV1 mit geöffnetem Ionenkanal und eingelagertem Capsaicinoid

Das geschlossene Mannschaftsgefüge das durch die drei genannten Strukturelemente gegeben ist spielt auch für die Wirkung der Capsaicinoide auf den Rezeptor Transient Receptor Potenial Vanilloid Type 1 (TRPV1) eine wichtige Rolle. TRPV1 ist ein Rezeptor, der in der Membran von Nozizeptoren vorkommt, welche bei der Wahrnehmung von gefährlichen Reizen, wie gesundheitsschädlichen Substanzen und Temperaturen, von entscheidender Bedeutung sind [7].

TRPV1 besteht aus sechs Transmembraneinheiten, die als α-Helices in die Membran des Nozizeptors eingebettet sind. Die für die Wechselwirkung mit den Capsaicinoiden entscheidende Bindestelle befindet sich zwischen der zweiten und dritten Untereinheit und wird durch ein benachbartes Tyrosin Serin gebildet. In der Bindestelle geht das Tyrosin mit der Vanillyleinheit π-Stapelwechselwirkungen ein. Des Weiteren treten Wechselwirkungen zwischem dem polaren Serin und der Amidfunktion auf. Diese Wechselwirkungen verändern die Struktur des Rezeptors, so dass der Ionenkanal geöffnet wird. Diese Öffnung des Ionenkanals wird zudem durch die lipophile Kohlenstoffkette stabilisiert, die in das Membraninnere gerichtet ist[7].

Neben den Capsaicinoiden bewirken auch Schmerz, sowie Wärme oder Hitze die Öffnung des Ionenkanals von TRPV1. Dies erklärt warum der Verzehr von scharfen Gerichten auch mit zunehmender oder schmerzender Hitze im Mund assoziiert wird [7]


Zusammenfassung. Der Knoblauch und andere Pflanzen der Gattung Allium haben einen effektiven Schutzmechanismus vor Fressfeinden entwickelt. Beim Zerstören der Zellstruktur bildet sich aus dem geruchlosen Alliin unter Einwirkung des Enzyms Alliinase das geruchintensive, mikrobiozide Allicin. Ihm und seinen Stoffwechselprodukten, dem (E)- und (Z)-Ajoen sowie den Diallyldisulfiden, verdanken wir die olfaktorischen Nebenwirkungen des Knoblauchverzehrs.

Die Capsaicinoide stellen eine Unterklasse der Vanilloide und kommen in erster Linie in den Pflanzen der Gattung Capsicum vor. Charakteristisch ist ihr Aufbau aus drei chemischen Struktureinheiten, dem Vanillioden Ring, der Amidbindung und der lipophilen Kohlenstoffkette. Durch die identische chemischen Struktur sind alle Capsaicinoide in der Lage unsere Nozizeptoren zu reizen. Dies geschieht durch Wechselwirkungen der Vanillyleinheit und der Amidfunktion mit der Bindestelle des Rezeptors TRPV1, der in die Membran der Nozizeptoren eingebettet ist.


Schluss. Auch beim Autotreffen geht der Kampf um Aufmerksamkeit in den Einzeldisziplinen in vielen Fällen über den Geruchssinn. Für einen optimalen Burnout werden Gas- und Bremspedal so betätigt, dass der Reifen bei stehendem Fahrzeug durchdreht. Dieses sehr geräusch- und geruchintensive Spektakel dauert an bis entweder der Reifen oder der Antriebsstrang den Dienst versagen. Während Rauch und Gestank des Autoreifens schnell verziehen kann der Geruch des Allicins - zu Lasten der Mitmenschen - stundenlang wahrgenommen werden.

Nicht weniger zweifelhaft als ein Burnout um rekordverdächtigen Substanzen nachzueifern ist der Einsatz von rekordverdächtigen Verbindungen um Rekorde aufzustellen. Denn die Verwendung von Capsaicinoiden durch Reitequipen um eine schmerzvermeidende Wirkung und somit höhere Sprünge der Pferde zu erzielen ist Doping [7]. Und Doping ist den "Schärfsten Verbindungen" wahrhaft nicht würdig.


3 Literatur:

  1. Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen; Faust, Rüdiger; Knaus, Günther; Maelicke, Alfred und Siemeling, Ulrich: Chemie Rekorde. Menschen, Märkte, Moleküle. 2. Auflage, Weinheim: WILEY-VCH, 1999.[1]
  2. http://roempp.thieme.de/roempp4.0/do/data/RD-11-01321 [2] (zuletzt aufgerufen am 23.01.18)
  3. http://roempp.thieme.de/roempp4.0/do/data/RD-01-04491 [3] (zuletzt aufgerufen am 23.01.18)
  4. Watzl, Bernhard und Leitzmann, Claus: Bioaktive Substanzen in Lebensmitteln. 3., unveränderte Auflage, Stuttgart: Hippokrates Verlag, 2005. [4]
  5. Steinegger, Ernst und Hänsel, Rudolf: Lehrbuch der Pharmakognosie und Phytopharmazie. 4., vollständige neubearbeitete Auflage. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 1988. [5]
  6. Bützer, Peter: Some like it hot! Pädagogische Hochschule St. Gallen, 2014.[6]
  7. Marquardt, Sebastian und Schwartzkopff, Claudia J.: Hitze, Schärfe, Schmerz - Drei reizen den Rezeptor. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh, 2014. http://archiv.aktuelle-wochenschau.de/2013/w4/woche4.html [7] (zuletzt aufgerufen am 23.01.18)
  8. Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L. und Stryer, Lubert: Biochemie. 6. Auflage. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag, 2007.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 26.01.18