Ein wichtiger Schritt zur Aufklärung der Biosynthese von Kokain, das über 40 Jahre hinweg nicht mehr wissenschaftlich untersucht worden war, gelang jetzt Jan Jirschitzka, Doktorand am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Jena. Es handelt sich um den Nachweis einer Aldo-Keto-Reduktase, die, analog zur Atropin-Synthese, Methylecgonon (MecgoR) genannt wird. Interessant ist dabei, dass die Umwandlung der Keto-Gruppe in einen Alkohol-Rest in Koka-Pflanzen durch ein ganz anderes Enzym als in Nachtschattengewächsen erfolgt.
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Kokain-Biosynthese: Die Rolle der Methylecgonon-Reduktase

Ein wichtiger Schritt zur Aufklärung der Biosynthese von Kokain, das über 40 Jahre hinweg nicht mehr wissenschaftlich untersucht worden war, gelang jetzt Jan Jirschitzka, Doktorand am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Jena. Es handelt sich um den Nachweis einer Aldo-Keto-Reduktase, die, analog zur Atropin-Synthese, Methylecgonon (MecgoR) genannt wird. Interessant ist dabei, dass die Umwandlung der Keto-Gruppe in einen Alkohol-Rest in Koka-Pflanzen durch ein ganz anderes Enzym als in Nachtschattengewächsen erfolgt.
Bild 1: Die Kokapflanze (Erythroxylum coca) mit einer Darstellung ihrer wichtigsten Moleküle: Der Kohlenstoff ist grau gefärbt, der Stickstoff blau, der Sauerstoff rot und der Wasserstoff weiß (Bild: MPI chem. Ökol.).

In Deutschland ist Kokain als Rauschmittel vor allem als Kokain-Hydrochlorid im Umlauf. Zumindest eine Zeit lang, d.h. in den 1980er Jahren, galt Kokain als die Modedroge schlechthin. Die Kokain-Nasen mancher Schnupfer wurden weithin bekannt. Zuletzt fand die Droge sogar Eingang in die Schlagerszene.

Am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Jena, befasste sich nun eine Forschergruppe um Institutsdirektor Prof. John Gershenzon und Gruppenleiter Dr. John d’Auria, Abteilung Biochemie, sowie der Doktorand Jan Jirschitzka mit der Biosynthese der Pflanze, die seit 40 Jahren (!) nicht mehr Gegenstand wissenschaftlicher Forschung war. Es ging um die Aufklärung der biochemischen Synthese von Kokain bzw. des Alkaloids, das ein wesentlicher Bestandteil der Pflanze darstellt. Deshalb zunächst ein rascher Blick auf die Ausgangsbasis: Alkaloide sind stickstoffhaltige natürliche Verbindungen, die auf den menschlichen Organismus auf die verschiedensten Weisen einwirken können. Zur Familie der Alkaloide zählen so bekannte Substanzen wie Atropin, Chinin, Koffein, Morphin, Nikotin, Strychnin und eben Kokain. Unter diesen fallen Atropin, das die Pupillen erweitert, und das Rauschgift Kokain auf, die sich durch zwei fünf- und siebengliedrige chemische Ringe auszeichnen, die miteinander verbunden sind. Doch machen sich auch die anderen chemischen Stoffe durch ihre stimulierende Wirkung auf die Psyche des Menschen wie auf Tiere bemerkbar.

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Tropan-Alkaloide

Die Biosynthese der Tropane dient im Allgemeinen der Abwehr von Fraßfeinden sowie anderen bekannten Schädlingen. Weltweit existieren ca. 200 verschiedene Verbindungen mit Tropan-Ringen wie z.B. das Pupillen-erweiternde Atropin, das Scopolamin oder eben das stimulierende Kokain. Gegenwärtig sind folgende sieben Pflanzen-Familien, um hier die wichtigsten zu nennen, als Tropan-Alkaloid-haltig bekannt:
 Die Protaceae.
 Die Convolvulvaceae.
 Die Kreuzblütler (Brassicaceae).
 Die Rhizophoraceae.
 Die Wolfsmilch-Gewächse (Euphorbiaceae).
 Die Nachtschatten-Gewächse (Solanaceae).
 Die Rotholzgewächse (Erythroxylaceae).

Interessant ist auch, dass der Verwandtschaftsgrad unter diesen sieben Familien ziemlich niedrig und somit wenig aussagekräftig ist.

Der gegenwärtige Stand der Wissenschaft besagt, dass der letzte gemeinsame Vorfahr von Rotholz- und Nachtschattengewächse vor rund 120 Mio. Jahren lebte. Dies bedeutet in der Tat, dass sich diese sieben Pfanzenfamilien bereits seit jener Frühzeit auseinander lebten und ihre früheren, sicher sehr klaren und offensichtlichen Gemeinsamkeiten nach und nach verloren gingen. In diesem Zusammenhang drängt sich eine weitere Frage auf: Gab es früher einen Kardinalsweg, einen einzigen, jedoch richtigen Weg, der in den verschiedenen Pflanzenfamilien nach und nach verloren ging? Oder wie ähnlich sind diese Tropan-Alkaloid-Biosynthesewege in den heutigen sieben Pflanzenfamilien einzuschätzen? War es tatsächlich so, dass die Tropan-Alkaloid-Biosynthese in den jeweiligen Familien voneinander getrennt erfunden wurde? Und verlief der Weg zu dieser Biosynthese etwa parallel, d.h. wurde er in gleicher Weise von den sieben verschiedenen Pflanzen-Familien, die Tropan-Alkaloide enthalten, gefunden? Dies sind noch offene Fragen. Immerhin führt die ungleiche Verteilung der Tropan-Alkaloide in den Angiospermen zu zwei möglichen Alternativen: Entweder entstand die Fähigkeit, tropane Alkaloide herzustellen, unabhängig voneinander in unterschiedlichen Pflanzen und Abstammungslinien, oder der Biosyntheseweg der Tropan-Alkaloide war vielerorts vorhanden, ging aber nach und nach verloren.


Solanaceae bereits häufiger untersucht

Intensiver wurde der Biosyntheseweg der Solanaceae, weniger häufig der der Erythroxylaceae (Kokaine) chemisch untersucht. Die Biosynthese wird bei den Solanaceae durch Polyamin-Putrescin ausgelöst, das von den Aminosäuren Ornithin oder Arginin hergeleitet wird. Putrescin wird mit N-Methyl durch die Putrescin-Methyltansferase gebildet. Dieser Schritt gilt als der erste auf dem Weg zur Herstellung eines Tropan-Alkaloids. Daraus entsteht dann Butanal, das sich rasch in einen fünfgliedrigen Ring verwandelt. Die Bildung des zweiten Ringes bei der Bio- synthese von Tropan-Alkaloiden ist noch nicht ganz klar. Die eine Hypothese besagt, dass N-Methyl-Pyrrolinium mit Acetoacetat kondensiert und der Ringschluss nach der Oxidierung und einer weiteren Aldol-Kondensierung eintritt. Nach der anderen Hypothese wirkt das N-Methyl-Pyrrolinium als Auslösefaktor für eine Polyketid-Ausweitung in zwei Stufen.

In beiden Modellen enthält der entstehende zweite Ring eine Keto-Funktion an der dritten Position. Der Rückschritt hierauf ist notwendig wegen der sich anschließenden Ester-Bildung.

Bei den Solanaceae wird die Reduktion der Keto-Gruppe im Tropan-Ring von Tropinon-Enzymen katalysiert. Diese Enzyme gehören zu den kurzkettigen Dehydrogenasen. Es gibt zwei verschiedene Tropinon-Reduktasen (TR-I und TR-II) innerhalb der Solanaceae, was zu einer klaren Trennungslinie der Herstellungswege für die Biosynthese der Tropan-Alkaloide innerhalb dieser Familie führte. Jedenfalls sind diese beiden TRs charakteristisch für die Bildung der Biosynthese von Tropan-Alkaloiden. Und es scheint so, dass sie ausschließlich bei Tropan-Alkaloid-Pflanzen vorkommen. Gesichert ist dies aber noch nicht – ebenso wenig, ob die gesamte Tropan-Alkoloid-Biosynthese die beiden TRs für die Katalyse benötigt.

Doch sollte insbesondere eruiert werden, ob die Bildung von Tropan-Alkaloiden in der fernen Vergangenheit einen gemeinsamen Ursprung hatte und deshalb wurde der Tropinin-Reduktionsschritt in Erythroxylum coca nachgeprüft, d.h. in einer Art, die Kokain und andere Tropan-Alkaloide im Überfluss herstellt, genetisch wie anwendungsbezogen jedoch sehr weit von jenen Solanaceae entfernt ist. Es stellte sich jedoch bald heraus, dass sich kein Enzym mit der gewünschten Aktivität bildete. Doktorand Jan Jirschitzka von der Gruppe um John d’Auria suchte im Genom der Kokapflanze nach SDR-ähnlichen Gensequenzen (d.h. kurzkettigen Dehydrogenasen). Sie wurden kloniert, exprimiert und auf Enzymaktivität getestet. Es bildete sich jedoch keineswegs das erwartete Vorläufermolekül des Kokains. Somit musste der junge Wissenschaftler den klassischen Weg der Biochemie nehmen: Aus Extrakten von Kokablättern wurde das Enzym angereichert und aufgereinigt. Nach der teilweisen Sequenzierung dieses Polypeptids wurde schließlich noch das dazugehörige Gen isoliert.


Neues, besseres Verständnis

Es stellte sich heraus, dass die Kokapflanze keinesfalls wie die Solanaceae funktioniert, sondern einen eigenen Weg der Biosynthese beschritten hat. Nach Institutsleiter Prof. Gershenzon funktioniert die Umwandlung der Keto-Gruppe zu einem Alkohol-Rest in Koka-Pflanzen mithilfe eines ganz anderen Enzyms als in den Nachtschattengewächsen. ((Nachfolgender Satz wurde umformuliert:)) Es zeigte sich, dass es sich hierbei um eine Aldo-Keto-Reduktase handelt, „die wir“, so Prof. Gershenzon, „Methylecgonon-Reduktase nannten.“ Proben mit entsalzenen Pflanzen-Extrakten aus verschiedenen Pflanzenteilen wiesen die Fähigkeit auf, Methylecgonon in Methylecgonin umzuwandeln. Dies war die erwünschte Reaktion für den erwarteten Umwandlungsprozess, d.h. die Biosynthese der Koka-Pflanze.

Aldo-Keto-Reduktasen kommen auch in anderen Pflanzen vor, dazu in Säugetieren, Amphibien, Hefen und sogar Einzellern und Bakterien. Sie beeinflussen beispielsweise die Bildung von Steroidhormonen, vom denen der menschliche Körper im Wesentlichen drei besitzt: Glucocorticoide, Mineralcorticoide und Vitamin D.

Von Bedeutung ist auch, dass das MecgoR-Gen ebenso wie das MecgoR-Enzym in jungen Blättern der Koka-Pflanze sehr aktiv sind, jedoch in den Wurzeln der Pflanze keinerlei Aktivitäten entfalten. Dagegen wird Atropin ausschließlich in den Wurzeln der Tollkirsche synthetisiert und danach in die grünen Teile der Pflanze transportiert. Aufgrund dieses Sachverhalts kommen die Jenaer Wissenschaftler zu dem Schluss, dass der Tropan-Alkaloid-Stoffwechsel in der Kokapflanze und in der Tollkirsche völlig unabhängig voneinander entstanden sind. Der Schritt der vom MecgoR-Enzym vermittelten Umwandlung bedeutet, dass es sich um einen katalytischen, d.h. jederzeit wiederholbaren Schritt handelt.

Mit diesem Ergebnis sind die Wissenschaftler in Jena einen großen Schritt vorangekommen. Sie wollen nun weiter im Speichergewebe der Koka-Pflanze forschen, das große Mengen von Kokain enthält. Das Gewicht des Kokains kann darin bis zu 10 % des Trockengewichts der jungen Blätter erreichen. Dies ist eine Menge, die von anderen Alkaloiden in Pflanzen nicht erreicht wird.

Richard E. Schneider*)

  1. Wissenschaftsjournalist, Brunnenstr. 16, 72074 Tübingen, Tel. 07071/253015.
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