Pflanzlicher Stoffwechsel

Sekundärstoffwechsel: Begriff, Funktion und Biosynthesewege

Was Sekundärstoffe von Primärstoffen unterscheidet, wozu sie dienen, wo sie lagern und aus welchen Biosynthesewegen sie stammen.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Sekundärstoffe entstehen über spezifische Wege aus Primärstoffen, gehören aber nicht zum lebenserhaltenden Grund- und Energiestoffwechsel.
  • Primärstoffe sind ubiquitär, Sekundärstoffe oft artspezifisch und damit ein taxonomisches Merkmal.
  • Sekundärstoffe dienen häufig der Abwehr von Fraßfeinden und sind oft pharmakologisch hochwirksam; auch Pilze und Bakterien bilden sie (Antibiotika, Amanitin, Muscarin).
  • Speicherung in Vakuolen oder Idioblasten (z. B. Myrosinase); Bildung reguliert durch Licht über Phytochrom, Jahreszeit und Phytohormone.
  • Direkte Wege: Acetat-Mevalonat-Weg (Acetyl-CoA → HMG-CoA → Mevalonat → IPP → Terpenoide) und Polyketidweg (Acetyl-CoA + Malonyl-CoA); Alkaloide und Phenylpropanoide stammen aus Aminosäuren.

Worum es geht

Neben dem Grundstoffwechsel bilden Pflanzen, Pilze und Bakterien viele Stoffe, die sie zum unmittelbaren Überleben nicht brauchen. Aus diesem Sekundärstoffwechsel stammen zahlreiche Arzneistoffe, von Morphin bis Penicillin.

Begriff

Primärstoffe wie Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren und Nucleotide braucht jede Zelle. Sie kommen deshalb ubiquitär vor.

📖 Definition: Sekundärstoff

Stoffwechselprodukt, das über spezifische Synthesewege aus Primärstoffen entsteht, aber weder zum unmittelbar lebenserhaltenden Metabolismus noch zum Energiestoffwechsel gehört.

Sekundärstoffe sind oft artspezifisch. Ihr Vorkommen taugt daher als taxonomisches Merkmal. Anthrachinone etwa haben keine erkennbare Funktion im Primärstoffwechsel. „Sekundär“ meint die Stellung im Stoffwechsel, nicht Zellen aus dem sekundären Dickenwachstum. Auch ist nicht jedes Stoffwechselendprodukt ein Sekundärstoff. Der Begriff „Begleitstoff“ stammt aus der Drogenextraktion und ist kein Synonym.

Funktionen und Vorkommen

Für den Produzenten sind Sekundärstoffe trotzdem nützlich. Häufig erfüllen sie ökologische Funktionen, etwa als Schutz vor Fraßfeinden. Was Tiere abschreckt, wirkt oft auch am Menschen: Viele Sekundärstoffe sind pharmakologisch hochwirksam.

Auch Bakterien und Pilze bilden Sekundärstoffe, etwa Antibiotika oder die Pilzgifte Amanitin und Muscarin.

Speicherung und Regulation

Viele Sekundärstoffe würden das Cytoplasma stören. Die Pflanze lagert sie deshalb in der Vakuole oder in besonderen Speicherzellen, den Idioblasten. So liegt die Myrosinase in Idioblasten, getrennt von den Glucosinolaten. Die höchste Konzentration findet sich je nach Art in verschiedenen Organen, nicht immer in der Wurzel. Die Gene der Biosyntheseenzyme liegen in der Regel im Kerngenom.

Licht induziert über das Phytochrom-System etwa die Bildung von Anthocyanen und Zimtsäurederivaten. Auch Tageslänge und Jahreszeit verändern den Gehalt. Phytohormone können zum Beispiel die Anthrachinonbildung steuern.

Biosynthesewege

Alle Sekundärstoffe gehen auf wenige Bausteine des Primärstoffwechsels zurück. Zwei Wege bauen sie unmittelbar aus Acetyl-CoA auf:

  • Acetat-Mevalonat-Weg: Drei Acetyl-CoA ergeben HMG-CoA, das zu Mevalonat reduziert wird. Daraus entsteht Isopentenyldiphosphat (IPP), die C5-Einheit der Terpenoide und Steroide. Mevalonat stammt also nicht aus dem Citratzyklus.
  • Polyketidweg: Ein Acetyl-CoA-Starter wird schrittweise mit Malonyl-CoA verlängert. Anders als bei der Fettsäuresynthese bleiben die Ketogruppen weitgehend erhalten. So entstehen Polyketide wie die Anthrachinone.

Reaktionsschema des Mevalonatwegs mit Strukturformeln

Vom Acetyl-CoA über HMG-CoA und Mevalonat zum IPP

Den dritten Zugang liefern Aminosäuren, etwa als Bausteine der Alkaloide. Über den Shikimatweg entsteht Phenylalanin und daraus Cinnamoyl-CoA, der Ausgangspunkt der Phenylpropanoide. Mit dem Fettsäureabbau hat Cinnamoyl-CoA nichts zu tun. Flavonoide sind Mischprodukte aus Phenylpropan- und Polyketidweg.

Flussschema vom Primärstoffwechsel zu Terpenoiden, Polyketiden, Phenylpropanoiden, Flavonoiden und Alkaloiden

Die großen Biosynthesewege des Sekundärstoffwechsels und ihre Grundbausteine

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Aussage 1

Das Enzym Myrosinase wird in Idioblasten gespeichert.

Myrosinase liegt in besonderen Speicherzellen, den Idioblasten, getrennt von den Glucosinolaten.

Aussage 2

Mevalonat, die Vorstufe der Terpenoide, wird im Citratzyklus gebildet.

Mevalonat entsteht im Acetat-Mevalonat-Weg aus drei Acetyl-CoA über HMG-CoA, nicht im Citratzyklus.

Aussage 3

Als Sekundärstoffe bezeichnet man die Inhaltsstoffe jener Zellen, die beim sekundären Dickenwachstum entstehen.

„Sekundär“ bezieht sich auf die Stellung im Stoffwechsel: Sekundärstoffe entstehen aus Primärstoffen, gehören aber nicht zum lebenserhaltenden Metabolismus.

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