Physiology and biosynthesis of alkaloids of Papaver sominferum.

Full text of DOI:10.1515/znb-1959-0113

52
G. KLEINSCHMIDT UND K. MOTHES
Zur Physiologie und Biosynthese der Alkaloide von Papaver somniferum
Von G ü n t h e r K l e in s c h m id t und K u r t
m o t h e s
Aus der Deutschen Akademie der Wissenschaften zu Berlin,
Arbeitsstelle für Biochemie der Pflanzen in Halle
(Z. Naturforschg. 14 b, 52—56 [1959] ; eingegangen am 22. Oktober 1958)
Isolierte Blätter, isolierte Kapseln und isolierter Milchsaft von Papaver somniferum vermögen bei
Verabreichung von uniform markiertem [14C]-L-Tyrosin radioaktive Alkaloide zu bilden. Die Aktivität
ist bei Verwendung dieser drei Organe bzw. Substrate in annähernd gleichem Verhältnis sowohl in
die Alkaloide des Morphin- wie auch des Papaverin- und Narkotin-Typs eingebaut. Im Falle des
Narkotins konnte weiter gezeigt werden, daß die Aktivität sich auf das Isochinolin- wie auch das
Benzylsystem derart verteilt, daß angenommen werden kann, daß beide Ringsysteme unmittelbar
dem Phenol-Ring des Tyrosins entstammen.
Trotz der großen Bedeutung der Opium-Alkaloide
das Papaverin (I) repräsentiert. Von diesem Al-
kaloid sagte bereits t r ie r x, daß man die Biosyn-
these einer solchen Substanz sich so vorstellen könne,
daß zwei Moleküle Phenylalanin miteinander reagie-
ren, wobei das eine Molekül zum Amin und das
andere zum Aldehyd abgebaut wird. s c h ö p f und
B a y e r l e 2 haben 1934 gefunden, daß Dihydroxy-
phenyläthylamin. ein zellmögliches Produkt des Ab-
für die Entwicklung der Wissenschaft von den Pflan-
zenbasen und für die Therapie sind diese interessan-
ten Inhaltsstoffe des Schlafmohns in biologischer
und biochemischer Richtung nur wenig untersucht.
Die bisher bekannten Alkaloide des Schlafmohns
zeigen enge chemische Beziehungen zum Isochinolin.
Ein einfacher Typ dieser Mohnalkaloide wird durch
CH30—1
xO—
0—
H2C
N
CH3O—
N —CHS
c h 2
—o c h 3
OCHa
I. Papaverin
OCH3
II. Narkotolin
III. Morphin
baues des Dihydroxyphenylalanins, und Acetaldehyd
leicht in Norsalsolin übergehen. Weiterhin haben
s c h ö p f und Salzer 3 (1940) gefunden, daß Di-
hydroxyphenyläthylamin (IV) und Homopiperonal
(V) zu einem Benzylisochinolin-Derivat (VI) kon-
densieren können. Vor kurzem teilten Battersby
und Harper 4 (1958) mit, daß nach Verfütterung
von [a-14C]-L.D-Tyrosin über die Wurzeln intakter
Mohnpflanzen aus diesen radioaktives Morphin (III)
isoliert werden konnte, bei dem etwa die Hälfte der in-
korporierten Aktivität im Kohlenstoffatom 16 fixiert
war. Die Autoren vermuten, daß die andere Hälfte
im Kohlenstoffatom 9 lokalisiert ist. Damit wäre
eine wichtige Stütze zu den Auffassungen, die t r ie r
und s c h ö p f von der Synthese der Opium-Alkaloide
entwickelt haben, gegeben. Zweifellos macht die
Erklärung der Biosynthese des Morphins größere
Schwierigkeiten als die der einfachen Benzyliso-
chinoline. Wir verweisen auf r o B in s o n 5, der die
Möglichkeit der Überführung eines Benzylisochino-
lins in ein Alkaloid vom Morphintyp theoretisch be-
handelt hat. l e e t e teilte uns vor wenigen Wochen
* Herrn Professor Dr. K. f e l ix , Frankfurt/M., anläßlich der
70. Wiederkehr seines Geburtstages gewidmet.
1 G. t r ie r , Über einfache Pflanzenbasen, Berlin 1912, S. 117.
3 C l. S c h ö p f u . W. S a lz e r , Liebigs Ann. Chem. 544, 1 [1940],
4 A. R. B a t t ersB y u . B . J. T. h a r p e r . Chem. u . Ind. 1958.364.
5 R. r o B in s o n , The Structural Relations of Natural Com-
pounds, Oxford 1955.
2
c l. S c h ö p f u . H. B a y e r le , Liebigs Ann. Chem. 5 1 3 . 190
[1934].
Unauthenticated
Download Date | 4/6/16 9:21 PM

ALKALOIDE VON PAPAVER SOMNIFERUM
53
brieflich mit, daß er die Untersuchungen von B a t-
t e r s B y und h a r p e r bestätigen konnte. Seine Ergeb- Wurzel sprächen, ohne sich auf einen solchen allei-
nisse sind zum Druck gegeben. In unseren eigenen nigen Bildungsort festzulegen. In bezug auf die
Untersuchungen haben wir uniform markiertes Lokalisation der Synthese der Mohnalkaloide sind
[14C]-L-Tyrosin an isolierte Blätter, isolierte unreife ferner die Versuche zur Biosynthese radioaktiver Al-
Kapseln und aus der Pflanze isolierten Milchsaft ver- kaloide, die K u s in und
abreicht und in allen Fällen eine beachtliche Radio- von Interesse. Sie benutzten u. a. folgendes Verfah-
aktivität in den Alkaloiden, sowohl des Morphintyps ren: Abgeschnittene Mohnkapseln wurden mit einer
als auch des Papaverin- und Narkotintyps festge- Lösung von 50 juC Glycin in 100 ml Wasser 3 Tage
nicht gegen eine Biosynthese der Alkaloide in der
m
e r e n o w a 9 durchführten,
stellt. Auf Grund dieser Untersuchungen können wir
ernährt. Die bei dieser Methode erzielte Ausbeute an
die Angaben von B a t t e r s B y und h a r p e r bestätigen
radioaktiven Alkaloiden war ganz erheblich schlech-
und darüber hinaus aussagen, daß die Inkorpora- ter als bei der Fütterung intakter Mohnpflanzen. Es
tion des Tyrosins nicht nur in Alkaloide vom Mor- wäre aber falsch, daraus den Schluß zu ziehen, die
Mohnkapseln seien, wenn überhaupt, dann nur im
untergeordneten Maße zur Alkaloidsynthese befä-
higt. Unsere Fütterungsversuche mit isolierten Blät-
tern und isolierten Früchten haben ein klares und ein-
phintyp, sondern auch in Alkaloide des Benzyliso-
chinolintyps erfolgt.
Unsere Experimente waren in erster Linie zu dem
Zwecke angestellt worden, eine Aufklärung über den
Biosyntheseort der Alkaloide des Mohns zu erhal- deutiges Ergebnis geliefert, wonach die Synthese
ten. Wir hofften, danach auch den Mechanismus der
Biosynthese leichter einer Erklärung zuführen zu
können. Über den Bildungsort der Mohnalkaloide
haben sich in den letzten Jahren vor allem Weg-
n e r 6>7 sowie p o e t h K e und a r n o l d 8 geäußert. Sie
sind der Auffassung, daß die erhaltenen Ergebnisse
dieser Alkaloide in diesen isolierten Organen mög-
lich ist. Da es darüber hinaus gelungen ist, in iso-
liertem Latex die Synthese zu erzwingen, darf man
wohl schließen, daß alle Organe, die Milchröhren
führen, zur Bildung der Alkaloide des Schlafmohns
befähigt sind. Natürlich eröffnet diese erstmalig ge-
8 W. p o et h K e u . E. a r n o l d , Pharmazie 6, 406 [1951].
E. w e G n e r , Pharmazie 6, 420 [1951].
E. w e G n e r , Pharmazie 8, 839 [1953].
9
a . m . K u sin u . W. J. m e r e n o v a , Biochimija 19, 616 [1954].
Unauthenticated
Download Date | 4/6/16 9:21 PM

G. KLEINSCHMIDT UND K. MOTHES
54
HCl quantitativ eluiert. Die daraus gewonnenen Al-
kaloidbasen wurden auf Aluminiumschalen aufgetragen
und die Aktivität mit einem Geiger-Müller -Zähl-
rohr (Fensterdicke 1,03 mg/cm2) gemessen. Der Null-
effekt betrug bei allen Messungen 35 Imp./min im
Durchschnitt.
fundene Synthese im Latex neue Möglichkeiten, den
fermentativen Charakter der einzelnen Schritte der
Biosynthese dieser Alkaloide zu erforschen, womit
wir beschäftigt sind.
Ein Testpräparat von 0,1 fiC [14C]-L-Tyrosin lieferte
unter den gleichen Meßbedingungen — Abstand des
Präparates vom Zählrohrfenster e?= 13mm — 7200
Imp./min. Daraus errechnet sich für die Summe aller
erfaßten Alkaloide eine Gesamt-Einbaurate von 0,127%
der verabreichten Aktivität.
Experimenteller Teil
I. Blattversuch
Jungen Blättern (von 4 Wochen alten Pflanzen ent-
nommen) wurde uniform markiertes [14C]-L-Tyrosin
verfüttert. Die Applikation des Tyrosins erfolgte als
Hydrochlorid in wäßriger Lösung im Transpirations-
Strom der Blätter. 3 Blätter erhielten zusammen 30 /uC
L-Tyrosin-Hydrochlorid, das eine spezifische Aktivität von
ll,6mC/mM besaß. Dieser Fütterungsversuch dauerte
48 Stunden. Nach Abtöten bei 100° und Trocknung des
Materials bei 80° wurde es fein pulverisiert, mit NH4OH
versetzt und mit einem Gemisch von 80 ml Methylen-
chlorid, 40 ml Äther und 15 ml Methanol im Perkola-
tionsrohr extrahiert. Aus diesem Extrakt wurden die
Alkaloide zweimal mit je 40 ml 1-proz. HCl ausgeschüt-
telt. Die vereinigten salzsauren Lösungen wurden am-
moniakalisch gemacht und dreimal mit je 30 ml eines
Gemisches von Chloroform und Isopropanol (3+1) aus-
geschüttelt. Dieser Extrakt wurde auf dem Wasserbad
zur Trockne aufgedampft, und der Alkaloidrückstand
papierchromatographisch nach der Rundfiltertechnik auf-
getrennt (Papier: Schleicher &Schüll 2043 b, mit Zitro-
nensäure-Phosphat nach M c l lv a in e gepuffert; mo-
bile Phase n-Butanol, wassergesättigt). Da bei diesen
Verfahren Narkotolin, Narkotin und Papaverin die glei-
chen Rf-Werte besitzen, wurden sie nach Elution vom
Papier einer weiteren Trennung unterworfen. Narkoto-
lin wurde auf Grund seines phenolischen Charakters ab-
II. Kapselversuch
In der gleichen Weise wurde drei Kapseln (Alter:
8 Tage nach dem Abblühen) 46 juC L-Tyrosin-Hydro-
chlorid in 2,3 ml Wasser gelöst verfüttert. Es war nötig,
die aktive Aminosäure (0,87 mg) in dieser geringen
Flüssigkeitsmenge gelöst zu verabreichen, da eine grö-
ßere Menge in kurzer Zeit von der Kapsel nicht auf-
gesaugt werden kann. Nach 24 Stdn. war die [14C]-l-
Tyrosin-Lösung von jeder Kapsel aufgesogen. Es wurde
mit wenig Wasser — 0,5 ml pro Kapsel — nachgespült.
Die Analyse wurde nach 4 Tagen ausgeführt. Die Al-
kaloide wurden in der oben beschriebenen Weise extra-
hiert, getrennt und zur Messung gebracht.
prozentuale
Einbaurate
Alkaloid
Imp/min
Verteilung
derAktivität
[%]
Morphin
Codein
Thebain
Narkotolin
Narkotin
Papaverin
1040
1830
2400
1680
1100
2050
0,033
0.058
0.077
0,054
0,035
0.066
10,2]
18.0
23.8J
16,8
10.9
20,3j
52
•48
prozentuale
Einbaurate
Verteilung
derAktivität
Imp/min
Alkaloid
10100
0,323
100,0
[%]
<2=14 mm, Testpräparat 0.1/<C: 6810 Imp/min.
0,012
0,0365
0,0165
0,024
0,021
Morphin
Codein
Thebain
Narkotolin
Narkotin
Papaverin
260
790
360
500
460
370
9,5]
28,5
51
13,0
30,01
10,5 49
8,5
Tab. 2. Einbau der 14C-Radioaktivität von uniform markier-
tem Tyrosin in Alkaloide durch isolierte junge Mohnkapseln.
III. Versuch mit M ilch saft
0,017
1
g frisch isolierter Milchsaft wurde mit einer Lösung
von 10juC [14C]-L-Tyrosin-Hydrochlorid in 0,5 ml Was-
ser versetzt, geschüttelt und im verschlossenen Gefäß
7 Tage bei 18° C der Reaktion überlassen.
0,127
100,0
2740
Tab. 1. Einbau der 14C-Radioaktivität von uniform markier-
tem Tyrosin in Alkaloide durch isolierte Mohnblätter.
Nach der Extraktion mit Chloroform-Isopropanol
(3+1) wurden die Alkaloide in der schon beschriebe-
nen Weise papierchromatographisch getrennt und zur
Messung gebracht.
getrennt, während Narkotin und Papaverin durch Pa-
pierchromatographie mit wassergesättigtem Äther (ab-
steigende Technik) getrennt wurden. — Die Lage der
radioaktiv markierten Alkaloide wurde durch Autoradio-
graphie auf Röntgenfilm festgestellt (Abb. 1*). Die Pa-
pierzonen, die die verschiedenen Alkaloide enthielten,
wurden herausgeschnitten und die Alkaloide mit 3-proz.
Die Einbaurate ist als hoch zu bezeichnen; eine Ver-
schmierung der Aktivität hat kaum stattgefunden. Wir
haben in den Säureamiden Asparagin und Glutamin
und in einigen Kohlenhydraten eine sehr geringe
Aktivität mit Hilfe der Autoradiographie nachweisen
können, die aber in keinem Verhältnis zu der hchen
* Abb. 1 s. Tafel S. 48 b.
Unauthenticated
Download Date | 4/6/16 9:21 PM

ALKALOIDE VON PAPAVER SOMNIFERUM
55
dukte der aus dem Tyrosin abgespaltenen Carboxyl-
gruppe.
. -i
ro
L/oJ
,
prozentuale
Verteilung
derAktivität
Linbaurate
v
* i
Alkaloid
Imp/min
Um zu erfahren, ob die Aktivität sowohl in den Iso-
chinolinring wie in das Benzylsystem der Alkaloide ein-
gebaut ist, haben wir Narkotolin (II) isoliert und hydro-
lytisch nach dem Verfahren von Pfeifer und Weiss 10
zu Kotarnolin (VII) und Mekonin (VIII) gespalten.
Theoretisch müßte bei einer Inkorporation des Tyrosins
in alle Ringsysteme des Narkotolins auf das Kotarnolin
56% und auf das Mekonin 44% der Aktivität entfallen.
Nach unseren Messungen beträgt das Verhältnis 52% zu
48Prozent. Daraus sind wir geneigt zu schließen, daß das
Ringsystem der Benzylisochinolin-Alkaloide aus zwei Mo-
lekeln Tyrosin oder einem verwandten Stoff aufgebaut
wird, entsprechend den Vorstellungen von Trier, Schöpf
und Robinson. Ein endgültiger Beweis kann natürlich
allein durch eine Positionsklärung der Aktivität in den
einzelnen Kohlenstoffatomen erfolgen, womit Battersby
I
Morphin
Codein
Thebain
Narkotolin
Narkotin
Papaverin
0,069
0,092
0,061
0,057
0,036
0,055
18,71
495
660
440
415
260
395
60
40
24,8
16,5
15,4]
14,7
9,9j
0,370
100,0
2665
<2=13 mm, Testpräparat 0,1 /j C: 7200 Imp/min.
Tab. 3. Einbau der 14C-Radioaktivität von uniform markier-
tem Tyrosin in Alkaloide durch frisch isolierten Milchsaft
des Mohns.
Aktivität der Alkaloide stand. Vielleicht handelt es
sich bei diesen Spuren eingebauter Aktivität um Pro- und Harper einen Anfang gemacht haben.
O—
H 2C
OH©
H 2C
HN—CH3
\n
O—
N©—CHa
C
y
O
\
H
VII. Kotarnolin
II
H 2C --
O
-CO
VIII. Mekonin
— OCH3
I
O CH j
Diskussion
tualen Verteilung der Aktivität in der Gruppe der
Morphinalkaloide und der Alkaloide des Benzyliso-
chinolin-Typs nicht besteht, wenn man nicht die un-
wesentliche Bevorzugung der Morphingruppe bei
dem Versuch mit isoliertem Milchsaft hoch einschät-
zen will. Selbstverständlich gelten diese Ergebnisse
zunächst für die von uns benutzten Entwicklungssta-
dien und für unsere Sorte von Papaver somniferum.
Da aber nunmehr festgestellt ist, daß die Synthese
der Alkaloide im Latex selbst erfolgen kann, ist es
tatsächlich nicht unwahrscheinlich, daß in allen Tei-
len der Pflanze die Alkaloidsynthese in ähnlicher
Weise vor sich geht, auch bei quantitativer Betrach-
tung. Worauf die gelegentlichen Unterschiede im
Alkaloidspektrum bei einzelnen Organen beruhen,
wäre noch zu untersuchen. Es könnten sekundäre
Reaktionen, die mit dem Alterungsstoffwechsel zu-
Über die Bestätigung der Veröffentlichung von
von B a t t e r s B y und h a r p e r hinaus erscheint uns
nicht nur die Erweiterung dieser Vorstellungen auf
die Benzylisochinoline von Bedeutung, weil damit
gesagt werden kann, daß offenbar die große Zahl
von Alkaloiden des Schlafmohns aus der gleichen
Ausgangssubstanz, vermutlich dem Tyrosin oder
einer verwandten Substanz, entstehen. Es müssen
also eine Fülle von Möglichkeiten in der Mohn-
pflanze vorbestimmt sein, die die Synthese der Alka-
loide vom gleichen Reaktionspartner gleichzeitig in
verschiedene Richtungen gestatten. Dabei ist zu be-
achten, daß beim Vergleich der verschiedenen Or-
gane ein wesentlicher Unterschied in der prozen-
10 S. p f e if e r u . F. w e is s , Arth. Pharmaz. 289, 24 [1956].
Unauthenticated
Download Date | 4/6/16 9:21 PM

W. BÖRSCH-SUPAN
56
sammenhängen, das primäre Verhältnis der Alka-
loide verändern. Das Wesentliche erscheint uns zu
Aufnahme von Stoffwechselprodukten ist, sondern
diese „Stoffwechselendprodukte“ selbst zu bilden in
sein, daß der Milchsaft zur Überführung einer pro- der Lage ist.
teinogenen Aminosäure in ein kompliziertes Gemisch
von Alkaloiden befähigt ist. Der Milchsaft gehört zu
den eigentümlichsten Erzeugnissen der Pflanzenwelt.
Schon die Anatomie und Entwicklungsgeschichte der
Milchsaftbehälter ist ganz ungewöhnlich. Aber auch
der Milchsaft als Inhalt einer Zelle unterscheidet sich
Einer besonderen Klärung bedürftig bleibt der
Befund, daß die Inkorporation der Radioaktivität in
den einzelnen Alkaloiden wesentlich von dem Ver-
hältnis abweicht, das diese Alkaloide in der Pflanze
einnehmen. So machen Papaverin oder Thebain oder
Codein weniger als 10% der Gesamtalkaloide aus
von dem Inhalt der normalen Pflanzenzellen außer- und Morphin mehr als 50 Prozent. Dennoch ist die
ordentlich. Ein zerklüftetes, nicht scharf vom Zellsaft
abgetrenntes Plasma besitzt eine außerordentlich
hohe Aktivität verschiedenster Fermente, einen hohen
Gehalt an interessanten Pflanzenstoffen, so daß
allein schon die Tatsache, daß sich eine relative Vis-
kosität mit einem sehr hohen Trockengewicht paart,
von besonderem Interesse ist. Nun erweist sich, daß
dieser Milchsaft zu besonderen chemischen Leistun-
gen befähigt ist und nicht etwa nur ein Organ zur
absolute Inkorporation von 14C nicht wesentlich ver-
schieden. Es wäre möglich, daß der Entwicklungs-
zustand zur Zeit des Versuches entscheidend für
diese Divergenzen ist.
Wir danken Herrn Professor Dr. F. W eyga n d , bisher
Berlin-Charlottenburg, Institut für Organische Chemie
der Technischen Universität, jetzt München, Technische
Hochschule, für seine freundliche Unterstützung und
Förderung unserer Arbeit.
Zur mathematischen Behandlung multiplikativer Verteilungsverfahren
IV. M itt.: Die Gewinnung von exakten Formeln mit Hilfe von Methoden der linearen Algebra
Von W olfgang B örsch-supan
Aus dem Institut für Praktische Mathematik der Technischen Hochschule Darmstadt
(Z. Naturforschg. 14 b, 56— 67 [1959] ; eingegangen am 19. Juli 1958)
Die mathematische Behandlung multiplikativer Verteilungsverfahren mit Hilfsmitteln der linearen
Algebra führt zu exakten Formeln für die Substanzverteilung in jedem Zeitpunkt eines Verteilungs-
prozesses und für die stationäre Endverteilung. Diese Formeln gestatten es, insbesondere die Annähe-
rung an den Endzustand der Batterie ohne Schwierigkeiten zu untersuchen. Die Eignung der einzelnen
Formeln zum numerischen Rechnen wird diskutiert. Mit ihrer Hilfe gewonnene Zahlentafeln für die
W a t a n a b e - M o r i k a w a -Verteilung werden angegeben.
h ec ker 1 hat in dieser Zeitschrift ausführliche
Formeln für die C r a i g -Verteilung und die
O ’ Keeffe- Verteilung angegeben und hergeleitet.
ken. Bei wiederholter Substanzzufuhr überlagern
sich die so gewonnenen Verteilungen mit zeitlicher
Phasenverschiebung. Man erhält so ziemlich kom-
Voraussetzungen für die Aufstellung geschlossener plizierte Formeln, die erst bei Vernachlässigung von
Korrekturgliedern wieder übersichtlich werden. Die
gefundenen Formeln erfordern eine besonders große
Rechenarbeit, wenn man sich für den Zustand der
Verteilungsbatterie nach einer großen Anzahl von
Verteilungsschritten interessiert, also vor allem,
Formeln sind dabei der Nernstsche Verteilungs-
satz sowie ein systematisches Verteilungsschema,
dessen Einzelschritte formelmäßig beschrieben wer-
den können. h ecker geht aus vom Anfangszustand
der Verteilungsbatterie und kann dann durch suk-
zessive Anwendung der Formeln für den Einzel- wenn man die Art und Weise der Annäherung an
schritt die Verteilung der Substanzmengen im Laufe
eines Verteilungsprozesses verfolgen. Die Entnahme
von Substanz an den Enden der Batterie bringt da-
bei Korrekturglieder ins Spiel, die sich allerdings
nur auf einen Teil der Fraktionsnummern auswir-
den stationären Endzustand untersuchen will. Man
ist daher insbesondere in diesem Fall an einfache-
ren Formeln interessiert. Die folgenden Überlegun-
gen zeigen, wie man auf andere Weise zu Formeln
gelangen kann, die mancherlei Vorteile bieten.
Kann man eine Anfangsverteilung aus mehreren
Einzelverteilungen additiv zusammensetzen, so ist
1 E. h e c k e r , Z. Naturforschg. 12b. 519 [1957].
Unauthenticated
Download Date | 4/6/16 9:21 PM