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Sekundärstoffwechsel

Neben dem „Primärstoffwechsel“ gibt es den sogenannten „Sekundärstoffwechsel“, in dem Inhaltsstoffe gebildet werden, die nicht zur Energieversorgung bzw. zur Synthese universaler Baubestandteile der Zelle beitragen. Primär- und Sekundärstoffwechsel lassen sich nicht immer einfach voneinander abgrenzen, da es viele Querverbindungen gibt und Zwischenprodukte des Primärstoffwechsels in den Sekundärstoffwechsel einfließen.

Sekundäre pflanzliche Inhaltsstoffe

Der Begriff „sekundär“ ist dabei ein wenig unglücklich gewählt, da der Eindruck entstehen könnte, dass die Stoffe, die dabei gebildet werden, zweitrangig, also nicht so wichtig sind. Wie wir aber immer besser verstehen, werden im Sekundärstoffwechsel eine Reihe ökologisch sehr wichtiger Stoffe gebildet, die verschiedene  und sehr wichtige Aufgaben für die Überlebensstrategien von Pflanzen haben (z.B. Blütenfarbstoffe oder Duftstoffe zum Anlocken von Insekten zur Bestäubung, Schutz- und Abwehrstoffe gegen Schädlinge). 

Die chemische Struktur sekundärer Pflanzenstoffe ist komplexer als die der primären. Man geht davon aus, dass es ca. 100.000 unterschiedliche sekundäre Inhaltsstoffe gibt, wovon bisher 30.000 identifiziert werden konnten – 10.000 davon in essbaren Pflanzen. Obwohl es eine solche Vielzahl an sekundären Inhaltsstoffen gibt, gehören die Verbindungen nur wenigen Stoffklassen an. Nur geringe chemische Änderungen, wie Methylierungen, Hydroxylierungen oder Einlagerungen von Metallionen führen zu einer großen Vielfalt funktionell unterschiedlicher Substanzen.

Große Fortschritte in der chemischen Analyse sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe konnten in den letzten 20 bis 30 Jahren gemacht werden. Unser Institut hat einen großen Beitrag dazu geleistet. Das sogenannte „Metabolitenprofiling“, also der Versuch einen umfassenden Steckbrief der Inhaltsstoffe individueller Pflanzenarten zu erstellen, ist zum Teil auf Entwicklungen von Techniken in unserem Institut zurückzuführen.

Dem Institut geht es bei der umfassenden Analyse von Inhaltsstoffen nicht primär darum, möglichst viele Pflanzen zu analysieren, die enthaltenen Stoffklassen zu identifizieren und ihre Wirkungsweise aufzuklären, sondern der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten liegt darauf Funktionen von Genen aufzudecken, Stoffwechselprozesse zu verstehen oder aber Inhaltsstoffe zu identifizieren, die mit anderen wichtigen Eigenschaften von Pflanzen verbunden sind und so in der Züchtung als Marker eingesetzt werden können.

Welche Stoffgruppen gehören zu den sekundären pflanzlichen Inhaltsstoffen?

Folgende Gruppen gehören zu den wichtigsten pflanzlichen Sekundärverbindungen:

Phenolverbindungen 
Die drei wichtigsten zu dieser Gruppe gehörenden Verbindungen sind:

  • Flavanoide dazu gehören z.B. Rutin und Anthocyan. Sie verleihen vielen Gemüse- und Obstarten ihre rote, blaue, gelbe oder violette Farbe.
  • Phenolsäuren wie Hydroxyzimtsäure oder Salicylsäure
  • Tannine: Dabei handelt es sich um pflanzliche Gerbstoffe 


Isoprenoide Verbindungen: Terpene, Steroide und ihre Glykoside, Carotionoide

  • Terpene sind Hauptbestandteile der in Pflanzen produzierten ätherischen Öle.
  • Steroide sind eine Stoffklasse der Lipide.
  • Bei den Carotinoiden handelt es sich um eine umfangreiche Gruppe natürlich vorkommender fettlöslicher Farbstoffe.


Alkaloide

  • Dabei handelt es sich um alkalische, stickstoffhaltige organische Verbindungen. Die meisten sind sehr giftig, viele schmecken bitter. Der Begriff wurde zuerst für Pflanzenstoffe wie Morphin, Strychnin und Solanin verwendet. Auch Coffein und Nikotin gehören in diese Stoffklasse.
     

Glucosinolate (Senfölglycoside)

  • Bei dieser Gruppe handelt es sich um schwefel- und stickstoffhaltige chemische Verbindungen, die aus Aminosäuren gebildet werden. Sie kommen in der Familie der Kreuzblütler vor, wie Senf, Kresse oder Kohl und sind für den etwas scharfen und bitteren Geschmack verantwortlich.

 

Warum bilden Pflanzen diese Vielzahl verschiedener Stoffe?

Pflanzen sind mit ihren Wurzeln im Boden verankert und können sich nicht vom Standort wegbewegen. Einmal ausgekeimt, müssen sie mit den Verhältnissen vor Ort klarkommen. Falls nicht, werden sie sich nicht gut entwickeln können und sind im schlimmsten Fall zum Sterben verurteilt. Um ihr Überleben und ihre Nachkommenschaft zu sichern, haben Pflanzen ein ganzes Arsenal ausgeklügelter Überlebensstrategien entwickelt. Eine davon ist die Produktion sekundärer Inhaltsstoffe. Allerdings war lange Zeit über ihre Funktion nichts bekannt. Bis in die Hälfte des letzten Jahrhunderts nahm man noch an, dass es sich bei ihnen um Abfallstoffe handelt bzw. dass sie der Entgiftung von Zellen dienen. Dabei erfüllen sekundäre Inhaltsstoffe mit ihren verschiedenen Stoffklassen eine Reihe von wichtigen Aufgaben:

  • Schutz vor UV-Strahlung und Starklicht z.B. durch Carotinoide und Anthocyane
  • Anlockung von Bestäubern und Samenverbreitern durch Farb- oder Duftstoffe z.B. durch Monoterpene
  • Verdunstungsschutz durch Suberin oder Cutin
  • Mechanische Festigung z.B. Lignine
  • Abwehr von Pathogenen z.B. durch Glukosinolate
  • Abwehr von Pflanzenfressern u.a. durch Alkaloide oder Glukosinolate
  • Chemische Kommunikation (u.a. Anlockung von Unterstützern, aber auch Kommunikation untereinander und mit anderen Organismen)
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