Naturstoff

Begriff und Aufgaben

Ein Naturstoff (englisch natural product) ist in der Chemie eine von Organismen gebildete Verbindung, die biologische Funktionen erfüllt; ein modernes Synonym ist Biomolekül. Als Naturstoffe gelten nur Reinsubstanzen oder definierte Stoffgemische. Federn, Holz und Baumwolle zählen trotz ihres Aufbaus aus Naturstoffen nicht dazu, weil sie uneinheitliche Stoffgemische sind. Natürlich vorkommende anorganische Stoffe wie Minerale und Gesteine sind ebenfalls keine Naturstoffe.

In Organismen kann ein Naturstoff in vielen ineinander überführbaren Modifikationen vorkommen. Diese steuern seine biologische Funktion. Nach Extraktion und Reinigung erhält man meist die stabile Grundstruktur, die einer Naturstoffklasse zugeordnet wird.

Naturstoffe werden in allen lebenden Organismen aufgebaut oder umgewandelt; ihre Synthese benötigt Energie. Sie können dem Stoffwechsel und der Energiegewinnung dienen, Zellbestandteile oder Baustoffe sein oder Steueraufgaben erfüllen.

Funktionelle Einteilung und Bedeutung

Primäre Naturstoffe sind nach A. Kossel für Lebenserhalt und Wachstum notwendig. Dazu gehören besonders Fette sowie Biopolymere der Kohlenhydrate und Proteine. Aufbau und Abbau dieser Stoffe bilden die Grundlage des Energie- und Massestoffwechsels.

Sekundäre Naturstoffe sind nicht essentiell für den Lebenserhalt. Sie entstehen im Sekundärstoffwechsel, der an den primären Stoffwechsel anschließt, aber nicht am Energiestoffwechsel beteiligt ist. Sie werden nur in speziellen Zelltypen gebildet; ihre Funktionen sind vielfältig und häufig unbekannt. Große Gruppen sind Terpene, Aromaten und Alkaloide. Die Grenze zwischen primären und sekundären Naturstoffen ist fließend; die Einteilung ist historisch bedingt und wird weiterhin verwendet.

Naturstoffchemie verbindet organische und analytische Chemie mit Biologie, Biochemie, Physiologie und Pharmazie. Sie untersucht Isolierung, Strukturaufklärung, Synthese oder Biosynthese und Eigenschaften von Stoffen aus Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen. In der Biologie werden Biosynthesewege beispielsweise mit Isotopenmarkierung, isolierten Enzymen oder Zellkulturen sowie gentechnisch erzeugten Mutationen untersucht.

Für die Pharmakologie sind Naturstoffe wichtige Leitstrukturen, also Ausgangsstrukturen zur Entwicklung von Wirkstoffen. Sie können Antibiotika, Immunsuppressiva, Enzym-Inhibitoren, Rezeptor-Antagonisten und -Agonisten, Toxine sowie antitumorale oder antivirale Wirkstoffe sein. Beispiele sind Paclitaxel aus der Pazifischen Eibe (Taxus brevifolia), Epothilon aus Sorangium cellulosum und das aus modifizierten Nucleosiden entwickelte Virustatikum Zidovudin. Etwa die Hälfte der meistverkauften Wirkstoffe sind Naturstoffe oder deren Derivate. Für die Optimierung werden Struktur-Wirkungs-Beziehungen (QSAR) und etwa Parallelsynthese oder kombinatorische Chemie genutzt.

Komplexe Naturstoffe stellen auch die organische Chemie vor Aufgaben: Chiralitätszentren müssen in der gewünschten stereochemischen Konfiguration aufgebaut werden, funktionelle Gruppen müssen mit den Reagenzien verträglich sein, und gegebenenfalls sind Schutzgruppen nötig. Naturstoffe können außerdem chirale Synthesebausteine sein; Shikimisäure ist beispielsweise Startmaterial für die großtechnische Synthese von Oseltamivir (Tamiflu) der Firma Roche.

Aminosäuren, Proteine und Kohlenhydrate

Proteinogene Aminosäuren sind ausschließlich α-Aminosäuren. Natürlich kommen auch β-Aminosäuren wie β-Alanin, β-Aminobuttersäure und γ-Aminobuttersäure vor. Alle natürlichen α-Aminosäuren außer Glycin sind chiral und praktisch ausschließlich L-Aminosäuren. Mikroorganismen und Pflanzen können alle 20 biogenen kanonischen Aminosäuren synthetisieren. Der Mensch muss Valin, Leucin, Isoleucin, Methionin, Threonin, Lysin, Phenylalanin und Tryptophan, im Kindesalter zusätzlich Tyrosin, mit der Nahrung aufnehmen.

Peptide und Proteine sind Aminosäureketten, die über Amidbindungen verknüpft sind. Oligopeptide enthalten 2–10 Aminosäuren, Peptide mehr als 10 bis etwa 80–90 und Proteine ab etwa 80–90 Aminosäuren sowie ab 10.000 Da beziehungsweise 10 kDa. Ein Peptid oder Protein besitzt einen N-Terminus mit freier oder modifizierter Aminogruppe und einen C-Terminus mit freier Carboxylatgruppe. Proteine wirken unter anderem als Enzyme, Toxine, Bestandteile des Immunsystems, Körperstrukturen und Transmittermoleküle.

Kohlenhydrate werden nach der Zahl ihrer Zuckerbausteine eingeteilt: Monosaccharide haben eine Einheit, Oligosaccharide 2–9 und Polysaccharide mehr als 10. Sie dienen als schnell mobilisierbare Energiespeicher und als Baustoffe, etwa Cellulose in pflanzlichen Zellwänden und Chitin im Exoskelett der Gliederfüßer. Glucose ist zentral für den Kohlenhydratstoffwechsel; ihr Abbau zur ATP-Gewinnung heißt Glycolyse. Natürliche Monosaccharide stammen praktisch alle aus der D-Reihe. Es gibt keine essentiellen Zucker, weil Organismen verschiedene Monosaccharide ineinander umwandeln können.

Saccharose besteht aus Glucose und Fructose. Lactose ist 1,4-verknüpfte Galactose mit Glucose und für Neugeborene von Säugetieren praktisch die einzige Kohlenhydratquelle. Stärke ist ein pflanzlicher Reservestoff; Cellulose, Pektine und Hemicellulosen sind wichtige pflanzliche Zellwandbausteine. Chitin ist ein Homopolysaccharid aus N-Acetyl-glucosamin.

Glycoside sind Konjugate von Mono- oder Oligosacchariden mit anderen Stoffen, etwa Alkoholen, Thiolen, Aldehyden oder Amiden. Je nach Bindung gibt es O-, S-, N- oder C-Glycoside; der Nicht-Kohlenhydratrest heißt Aglycon. Durch Glycosidbildung kann ein eher apolares Aglycon wasserlöslich werden. Glycoside sind beispielsweise als Herzglycoside wie Digitoxin, als Antibiotikum Erythromycin und als Bausteine von DNA und RNA bedeutsam. Peptidoglycan oder Murein ist ein Polysaccharid-Peptid-Konjugat, das bakterielle Zellwände festigt. Die Transpeptidase vernetzt die Peptidketten und kann durch Antibiotika gehemmt werden.

Lipide und membranbildende Stoffe

Lipide sind heute Verbindungen, die sich von Fetten ableiten: Ester von Fettsäuren mit ein- oder mehrwertigen Alkoholen. Natürliche Fettsäuren sind meist langkettige Carbonsäuren mit gerader Zahl an Kohlenstoffatomen. Gesättigte Fettsäuren besitzen keine, ungesättigte eine oder mehrere Doppelbindungen; natürliche Doppelbindungen liegen immer Z-konfiguriert (cis) vor. Ein Teil der ungesättigten Fettsäuren ist für den Menschen essentiell und wird teilweise Vitamin F genannt.

Fette sind meist Triglyceride, also Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin mit drei Fettsäuren. Sie speichern Energie in Tieren und Pflanzensamen; adipöses Gewebe kann bis zu 80 % Fett enthalten. Wachse sind unpolare Ester von Fettsäuren mit cyclischen oder langkettigen Alkoholen. Sie dienen etwa als Bienenwaben oder als pflanzliche Cuticula zum Verdunstungsschutz.

Komplexe, membranbildende Lipide tragen neben unpolaren Fettsäureresten polare Gruppen. In Wasser richten sich die polaren Gruppen zum Wasser aus, während die unpolaren Gruppen eine Lipiddoppelschicht bilden. So entstehen Zellmembranen und unter Laborbedingungen Liposomen. Zu diesen Lipiden gehören Phospholipide, Sphingolipide und Glycolipide.

Aus der 20 Kohlenstoffatome enthaltenden Arachidonsäure entstehen Eicosanoide, Regulierungsstoffe. Die wichtigsten sind Prostaglandine mit einem Fünfring und zwei benachbarten Seitenketten; analoge Verbindungen mit Sechsring heißen Thromboxane.

Terpene, Steroide und aromatische Stoffe

Isoprenoide sind formal Oligomere oder Polymere des Isoprens und werden über Mevalonsäure und den Mevalonsäureweg aufgebaut. Dazu zählen Terpene und Steroide. Terpene werden nach Kohlenstoffatomzahl beziehungsweise Isopreneinheiten eingeteilt: Monoterpene besitzen 10 Kohlenstoffatome und 2 Einheiten, Sesquiterpene 15 und 3, Diterpene 20 und 4, Triterpene 30 und 6, Tetraterpene 40 und 8 sowie Polyterpene mehr als 40 und mehr als 8. Beispiele sind Menthol als Monoterpen, Retinal (Vitamin A) und Paclitaxel als Diterpene sowie Naturkautschuk als Polyterpen. Terpene können Aromen, Duftstoffe, Pheromone, Vitamine oder Hormonvorläufer sein und finden sich auch in Pharmaka, Insektiziden und Kosmetikgeruchsstoffen.

Steroide gehen vom Triterpen Squalen aus, das zum tetracyclischen Steran-Gerüst cyclisiert. Das wichtigste Steroid bei Mensch und Tier ist Cholesterin; es fehlt in Pflanzen. Aus Cholesterin entstehen Lipoproteine und Steroidhormone, darunter Corticosteroide und Sexualhormone. Polyprenylhydrochinone wie Ubichinon-10 (Coenzym Q-10), Phyllochinon (Vitamin K), Menachinone und Plastochinon besitzen einen Hydrochinon- und einen Polyprenylrest und wirken als Elektronentransporter der mitochondrialen und bakteriellen Atmungskette.

Aromatische Naturstoffe entstehen über Shikimat-, Malonat- oder Mevalonatweg. Der Shikimatweg führt vor allem in höheren Pflanzen zu häufig hoch oxidierten phenolischen Aromaten mit linearer Seitenkette. Der Malonatweg oder Polyketidweg beruht auf dem Fettsäurestoffwechsel und erzeugt besonders in Mikroorganismen hoch oxidierte Aromaten, oft Chinone oder Hydrochinone. Tierische Organismen bilden aromatische Verbindungen selten selbst; aromatische Aminosäuren und Vitamine sind deshalb normalerweise essentielle Nahrungsbestandteile.

Phenylpropan-Derivate besitzen eine Propyl-Seitenkette; Zimtaldehyd, Anethol und Estragol sind Beispiele. Lignine sind Polymere dieser Stoffe und Baustoffe des Holzes. Flavonoide sind meist glycosidisch gebundene Pflanzenfarbstoffe und stellen die Mehrzahl der Blütenfarbstoffe. Gerbstoffe enthalten als organische Vertreter phenolische Gruppen; Tannin ist ein Polyhydroxyphenol. Polyketide besitzen ein aus Essigsäure und Propionsäure aufgebautes Kohlenstoffrückgrat; sie umfassen sehr unterschiedliche aliphatische, cyclische, acyclische und aromatische Verbindungen.

Heterozyklen, Nucleoside und Alkaloide

Pteridine leiten sich vom Pteridin ab. Zu ihnen gehören Riboflavin (Vitamin B₂), Folsäure, die Coenzyme FAD und FMN sowie Molybdän-Cofaktoren aus Molybdopterin. Pyridinderivate umfassen insbesondere Nicotinsäure (Vitamin B₃) und Pyridoxalphosphat mit Pyridoxin, Pyridoxal und Pyridoxamin (Vitamin B₆).

Nucleoside sind N-Glycoside heterocyclischer Systeme. Bei DNA und RNA enthalten sie als Zucker Desoxyribose beziehungsweise Ribose. DNA speichert Erbinformationen; RNA kann biochemische Reaktionen katalysieren sowie Signalüberträger und Informationsspeicher sein. Natürliche Nucleoside besitzen Purinbasen (Adenin, Guanin) oder Pyrimidinbasen (Cytosin, Thymin, Uracil). Porphyrine und Chlorine sind ringförmige Tetrapyrrole. Sie bilden die Grundlage für Chlorophyll, Cytochrom und Hämoglobin und ermöglichen unter anderem Sauerstofftransport, Elektronen- und Energietransfer sowie Katalyse.

Alkaloide sind stickstoffhaltige Naturstoffe, für die keine einheitliche Definition besteht. Sie haben oft biologische Wirkungen und liefern Leitstrukturen für Arzneistoffe. Sie können nach dem Stickstoff-Heterocyclus gegliedert werden, etwa in Piperidin-, Pyrrol-, Pyrrolidin-, Pyridin-, Isochinolin-, Chinolin-, Chinazolin-, Indol-, Indolizin-, Pyrrolizidin-, Chinolizidin-, Purin- und Steroid-Alkaloide. Biogene Amine entstehen durch einfache Decarboxylierung einer Aminosäure. Sie können Bestandteile von Lipiden, Coenzyme oder Neurotransmitter sein, etwa Acetylcholin, Tryptamin, Serotonin und Histamin; L-Dopa ist als Parkinson-Medikament bedeutsam.

Im Chemikalienrecht ist ein Naturstoff ein „natürlich vorkommender Stoff als solcher, unverarbeitet oder lediglich manuell, mechanisch oder durch Gravitationskraft, durch Auflösung in Wasser, durch Flotation, durch Extraktion mit Wasser, durch Dampfdestillation oder durch Erhitzung zum Wasserentzug verarbeitet oder durch beliebige Mittel aus der Luft entnommen“. Nach Anhang V Absätze 7 und 8 der REACH-Verordnung (EG 1907/2006) besteht keine Registrierungspflicht, wenn der Stoff nicht chemisch verändert wurde; Ausnahmen gelten bei Gefährlichkeit nach CLP-Verordnung (EG Nr. 1272/2008), bei PBT- oder vPvB-Kriterien oder bei ebenso besorgniserregenden Stoffen. Die Biostoffverordnung regelt berufliche Tätigkeiten mit biologischen Arbeitsstoffen und ordnet sie für Gefährdungsbeurteilung und Schutzmaßnahmen vier Risikogruppen zu.