Lactone in Pflanzen und Nahrungsergänzungsmitteln - Arten, Eigenschaften und medizinische Perspektiven

Tabletka, szklanka z wodą i roślina na drewnianym stole

08 Okt. 2024

Geschrieben von: Łukasz Szostko Zeiten Lesen: 557 Kommentare: 0

So wie in unserem Körper eine Vielzahl von gesundheitsfördernden Stoffen zirkuliert, so gilt dies auch für Pflanzen. Viele der pflanzlichen Inhaltsstoffe wirken nicht nur auf sie selbst, sondern auch auf uns, wenn wir sie zu uns nehmen. Bekannt sind Inhaltsstoffe wie Polyphenole, Flavonoide, Alkaloide und Sterole. Über die Lactone wird weniger gesprochen, was aber ihre Eigenschaften nicht schmälern soll. Wissenschaftler lassen sich seit langem von Lactonen inspirieren, um neue Arzneimittel zu entwickeln, die Patienten mit zahlreichen Beschwerden helfen. Auch in einigen sehr beliebten Nahrungsergänzungsmitteln wie Ginkgo biloba oder Ashwagandha finden wir Lactone, die für ihre gesundheitsfördernde Wirkung verantwortlich sind. In diesem Artikel werden wir besprechen , welche Arten von Laktonen in der Natur vorkommen, wo sie vorkommen und wofür sie verantwortlich sind, und was wir in Zukunft von ihnen erwarten können. Lesen Sie bis zum Ende!

Was sind Laktone? Definition und Eigenschaften

Lactone sind biologisch aktive Verbindungen, die in vielen Pflanzen, aber auch in Pilzen, Bakterien, Meeresschwämmen und anderen Organismen vorkommen. Viele von ihnen sind aromatische Substanzen, die den Pflanzen Geruch und manchmal auch Geschmack verleihen. Sie sind jedoch nicht so klein und flüchtig wie die in ätherischen Ölen enthaltenen Stoffe. In ihnen können nur geringe Mengen an Laktonen enthalten sein, da ihre Masse ein wenig zu groß ist, um bei der Destillation effizient zu passieren. Stattdessen kann man das Aroma der Laktone genießen, indem man anstelle von destillierten Ölen Absolute (z. B. Jasmin) oder gepresste ätherische Öle (z. B. Bergamotte) wählt.

Chemisch gesehen handelt es sich um intramolekulare cyclische Ester von Hydroxysäuren mit unterschiedlichen Ringgrößen[1]. Aufgrund der Stabilität der Ringstruktur sind γ- und δ-Lactone mit fünf- und sechsgliedrigen Ringen am häufigsten. Die griechischen Buchstaben werden lediglich zur Bezeichnung der Größe des Lactonrings verwendet. So haben z. B. alle γ-Lactone fünfgliedrige Ringe und alle ε-Lactone siebengliedrige Ringe.

Verbindungen mit einem Lactonfragment können völlig unterschiedliche Kohlenstoffskelette haben und verschiedenen Verbindungsklassen zugeordnet werden, wie z. B. Sesquiterpenlactone, Cumarine oder Steroidskelettlactone.

Szkielety chemiczne
Die chemischen Gerüste sind nacheinander α-, β-, γ-, δ-Lactone.

Die kleinsten Verbindungen in dieser Klasse sind α-, β-, γ-, δ- und ω-Lactone. Sie enthalten jeweils 3-, 4-, 5-, 6- und 7-gliedrige Ringe. Die hohe Stabilität der Lactonringe ist der Grund für das weit verbreitete Vorkommen von γ- und δ-Lactonen in der Natur. Es wird geschätzt, dass mehr als 3000 γ-Lactone in der Natur vorkommen. α-Lactone hingegen können nur synthetisch gewonnen werden[2].

Diese Vielfalt macht sie zu einer äußerst interessanten Gruppe, die eine Reihe von wichtigen chemischen und biologischen Eigenschaften aufweist[1]. Zu den am häufigsten genannten Aktivitäten gehören:

zytotoxisch,
entzündungshemmend,
antimalarial,
antiviral,
antimikrobiell.

Lactone und ihre Derivate gelten als Kandidaten, um die Lücke in der Pharmakologie zu schließen, die durch die Ausbreitung pathogener Bakterien, die gegen herkömmliche Antibiotika resistent sind, entstanden ist. In diesem Zusammenhang ist es erwähnenswert, dass Lactone in der Medizin schon seit langem bekannt sind. So besitzt beispielsweise das Antibiotikum Erythromycin neben anderen funktionellen Gruppen einen 14-gliedrigen Lactonring.

Beispiele für natürliche Laktone, die in Nahrungsergänzungsmitteln verwendet werden

Beginnen wir mit praktischen Informationen, d. h. mit der Frage, welche Lactone Sie in Form von Nahrungsergänzungsmitteln einnehmen können, um Ihre Gesundheit wirklich zu verbessern. Die Klassifizierung und die chemischen Details werden Sie später in diesem Artikel erfahren.

Terpene Laktone

Ginkgo biloba-Extrakte sind eine der wichtigsten Quellen für Laktone in Nahrungsergänzungsmitteln. Die Standardextrakte sind standardisiert und enthalten 6 % Terpenlaktone. Diese Laktone bestehen aus Bilobalid und Ginkgoliden, den Hauptwirkstoffen des Ginkgos, die für die meisten seiner gesundheitlichen Eigenschaften verantwortlich sind[3]. Ginkgolide sind Diterpenlactone, während Bilobalid ein Triterpenlacton (genauer gesagt ein Sesquiterpen-Trilacton) ist. Der Anteil der Ginkgolide am Gesamtpool der Laktone beträgt 3,1 und der der Bilobalide 2,9 Prozentpunkte.

Vitanolide

Dies ist die Hauptgruppe der Wirkstoffe in der berühmten adaptogenen Pflanze Vitania sluggishis, auch bekannt als Ashwagandha. Ihre Hauptdomäne ist die adaptogene Wirkung, d.h. die Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Stressbedingungen. Das Spektrum der gesundheitsfördernden Aktivitäten ist jedoch viel breiter.

Vitanolide sind eine Gruppe von natürlich vorkommenden Laktontriterpenoiden[4]. Die gesundheitsfördernden Eigenschaften der Laktone aus Ashwagandha sind so wertvoll, dass zahlreiche Versuche unternommen werden, sie zu synthetisieren und Derivate mit noch größerem Potenzial herzustellen.

Artemisinin

Artemisinin ist ein aus Beifuß(Artemisia annua) isoliertes Sesquiterpenlacton. Es wird in Nahrungsergänzungsmitteln zur Unterstützung des Immunsystems und als entzündungshemmendes Mittel verwendet.

Studien zufolge ist Artemisinin sowohl gegen arzneimittelresistente als auch gegen zerebrale Stämme von Plasmodium falciparum, die Malaria verursachen, wirksam[5].

In der Familie der Asterngewächse, insbesondere in Arten der Gattung Artemisia [6], sind neben Artemisinin noch viele weitere verschiedene Sesquiterpenlactone enthalten. Die antimikrobielle Wirkung von Sesquiterpenen kann mit Veränderungen der Proteinsynthese, einer veränderten Zellpermeabilität oder einer Interaktion mit Zellwandphospholipiden, die die Membranintegrität stören, zusammenhängen[1].

Ecdysteroide

Pflanzen wie Ajuga turkestanica, Leuzea carthamoides oder Spinacia oleracea (d. h. gewöhnlicher Spinat) enthalten Ecdysteroide, die eine Lactonstruktur aufweisen. Beispiele hierfür sind Ajugalacton oder Cartamosteron[7].

Wzory chemiczne ecdysteroidów
Grafikquelle - doi: 10.1016/B978-0-444-63473-3.00005-8.

Kavalaktone

Dies sind die Wirkstoffe, die in Methystinpfeffer oder Kava Kava enthalten sind. In Polen ist Kava-Kava leider nicht für die Verwendung in Lebensmitteln zugelassen, aber in den USA kann man z. B. Kava-Kava-Extrakte in Kapseln mit standardisierten Kavalaktonen kaufen[8]. Es gibt viele verschiedene Substanzen darunter, aber 6 sind als die wichtigsten aufgeführt - ihre Skelette sind in der folgenden Grafik dargestellt.

Wzory chemiczne kavalaktonów
Quelle der Grafik - doi: 10.3390/nu12103044

Monacolin K

Chemisch gesehen hat Monacolin K eine Lactonstruktur, die einen Esterring enthält. Es wirkt ähnlich wie synthetische Statine und hemmt, wenn es in seine aktive Säureform umgewandelt wird, das für die Cholesterinsynthese im Körper zuständige Enzym (HMG-CoA-Reduktase-Hemmer)[9]. Das EFSA-Gremium vertrat die Auffassung, dass Monacolin K in Lactonform identisch ist mit Lowastatin, dem Wirkstoff mehrerer in der EU zur Behandlung von Hypercholesterinämie zugelassener Arzneimittel. Aus diesem Grund wurde die zulässige Tagesdosis von Monacolin K aus Nahrungsergänzungsmitteln auf weniger als 3 mg begrenzt.

Einteilung und Klassifizierung der Lactone

Wir werden kurz auf die zahlreichsten und häufigsten Gruppen von Laktonen eingehen.

(Dieser Abschnitt ist ein wenig langweilig, aber der kurze Abschnitt enthält chemische Informationen, und es gibt hier eine starke Sättigung mit charakteristischen Schlüsselwörtern; ich würde es in Form eines Dropdown-Akkordeons machen, so wie es in den FAQ-Abschnitten gemacht wird).

γ-Lactone

Dies sind 5-gliedrige Lactone. γ-Lactone kommen in der Struktur mehrerer Naturprodukte vor, wie z. B. γ-gesättigtes Butyrolacton und α-β-ungesättigte Butenolide. Butenolide weisen faszinierende biologische Eigenschaften auf, zum Beispiel[2]:

3-Methyl-2H-furo[2,3-c]pyran-2-on zeigt starke herbizide Aktivität,
Flupiradifuron ist ein wirksames Insektizid,
Rubrolidium M und Basidalin weisen krebshemmende Eigenschaften auf,
5-Octylfuran-2(5H)-on zeigt Antifouling-Aktivität.

Butenolide und Butyrolactone sind auch für ihren charakteristischen Geruch bekannt, weshalb sie häufig in der Lebensmittel- und Parfümindustrie verwendet werden.

δ-Lactone

6-gliedrige Lactone. Sie sind in der Natur weit verbreitet. Wie die γ-Lactone lassen sich auch die δ-Lactone in gesättigte und α-β-ungesättigte Lactone unterteilen, wobei letztere die häufigsten sind. Das δ-Lacton-Fragment ist in mehreren Naturstoffen mit unterschiedlichen biologischen Aktivitäten[2] zu finden, wie z. B.:

Hemmung der HIV-Protease,
Induktion der Apoptose (Goniotalamin und Rasfonin),
antileukämische Aktivität (Dictyopyrone C),
krebshemmend (Pyronetin),
leishmanicidal,
trypanizid,
antimykotisch (Argentilacton),
antimikrobiell,
entzündungshemmend.

Mittelgroße Lactone

Diese Lactone enthalten Ringe mit 8 bis 11 Gliedern. Die 10-gliedrigen Decalactone sind die in der Natur am häufigsten vorkommenden Lactone. Bei den natürlichen 8-gliedrigen Laktonen unterscheidet man zwischen den Oktalaktonen A und B. Sie haben eine potenzielle zytotoxische Aktivität gegen Melanom- und Kolorektaltumorzellen. Cephalosporolide und Solandelactone sind weitere Beispiele für natürlich vorkommende 8-gliedrige Lactone[2].

Oxylipine, Halicholacton, Neohalicholacton und Topsentolide sind einige Vertreter der 9-gliedrigen Lactone. Sieben Topsentolide (A1, A2, B1, B2, B3, C1 und C2) zeigten eine moderate zytotoxische Aktivität gegen menschliche Krebszelllinien. Antimycin-Dilactone sind bekannt für ihre antibiotischen und antimykotischen Eigenschaften und ihre Fähigkeit, die Apoptose von Krebszellen auszulösen. Decalactone oder Nonanolide sind die am besten untersuchten natürlichen mittelgroßen Lactone und weisen eine Vielzahl biologischer Eigenschaften auf. Decaestrin zeichnet sich durch seine hemmende Wirkung auf die Cholesterinbiosynthese aus.

Phthalide

Phthalide sind bicyclische Moleküle, die aus der Kombination eines γ-Lactons und eines Benzolrings entstehen. Sie sind wichtige organische Moleküle, die von mehreren Pflanzengattungen aus der Familie der Apiaceae produziert werden. Diese Verbindungen kommen auch bei den Asteraceae, Acanthaceae, Amaranthaceae und Magnoliaceae vor.

Diese Verbindungsklasse wird seit dem 18. Jahrhundert erforscht, und in der Literatur finden sich zahlreiche Berichte über ihre vielfältigen ethnobotanischen Verwendungen und biologischen Aktivitäten. Zum Beispiel:

(S)-3-n-Butylphthalid wird als krampflösendes Mittel zur Behandlung von zerebraler Ischämie vermarktet,
Isopestacin hat antimykotische und antioxidative Eigenschaften,
Fuscinarin hat eine antiamnestische Wirkung,
(±)-Concentricolid hat eine antivirale Wirkung.

Phthalide haben auch antimikrobielle, thrombozytenaggregationshemmende und schmerzlindernde Eigenschaften.

Cumarine

Es handelt sich um sekundäre Pflanzen- und Pilzmetaboliten. Diese heterozyklischen Verbindungen enthalten einen Benzolring, der mit einem α-Pyron verbunden ist. Sie werden wegen ihrer antiviralen, krebshemmenden, Alzheimer-vorbeugenden, antidepressiven, antibiotischen (Armillarin), entzündungshemmenden (Scopoletin) und gerinnungshemmenden (Warfarin und Dicoumarol) Wirkung geschätzt.

Cumarine finden breite Anwendung in der Kosmetik-, Farbstoff- und Lebensmittelindustrie sowie als Leuchtstoffe.

Furanocumarine

Verbindungen, die einen Furanring enthalten, der mit dem Cumarinskelett verbunden ist. Sie werden von Pflanzen als Reaktion auf Stress und zum Schutz vor Fressfeinden wie Pilzen, Bakterien und Insekten gebildet. Furanocumarine werden zur Behandlung von Hautkrankheiten eingesetzt.

Spirolactone

Dies sind natürlich vorkommende Verbindungen, die eine große Familie strukturell unterschiedlicher Moleküle mit einem breiten Spektrum biologischer Aktivitäten umfassen:

antimikrobiell (Spiroindicumid A),
antimykotisch (Perrenniporid A),
entzündungshemmend (Abiespirosid A),
antiparasitär (Plumericin),
antiviral (Biyouyanagin B),
zytotoxisch (Yaoshanenolid A).

Zu den Spirolactonen gehören neben den natürlich vorkommenden Verbindungen auch synthetische Steroide, die als 17α-Spirolactone bekannt sind. Der bekannteste Vertreter dieser Klasse ist Spironolacton aufgrund seines Antagonismus zu Aldosteron, einem Hormon des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems, das mit Bluthochdruck, Herzhypertrophie und kardialer und vaskulärer Fibrose in Verbindung gebracht wird.

Ilustracja mikroskopowej struktury mikroorganizmu

Strigolactone

Dies sind Phytohormone, die aus Pflanzen der Gattungen Striga und Orobanche isoliert werden. Strigolactone stimulieren die Keimung von Samen parasitischer Pflanzen bei Erkennung des Wirts, regulieren das Pflanzenwachstum, hemmen die Keimung und vermitteln die unterirdische chemische Kommunikation zwischen Pflanzen und Nachbarorganismen. Die bekanntesten natürlichen Beispiele haben einen trizyklischen ABC-Kern mit γ-Lacton als einem der Ringe und einem exozyklischen D-Ring des Butenolids. Diese Struktur findet sich auch in 5-Deoxystrigol.

Strigolactone werden als Bodenhilfsstoffe zur Unkrautbekämpfung eingesetzt und verringern so die mit Unkrautschäden verbundenen landwirtschaftlichen Verluste. Diese Verbindungen lösen eine selbstmörderische Keimung aus. Das heißt, dass die Signale, die von isolierten Rhizosphärenverbindungen oder synthetischen Äquivalenten ausgehen, die Keimung parasitärer Samen ohne die Anwesenheit eines Wirts auslösen, was zum Absterben des Unkrauts führt.

Makrolactone

Makrolactone oder makrozyklische Lactone enthalten Ringe mit 12 oder sogar mehr Gliedern. Sie können als Olide oder Diolide klassifiziert werden.

Kukuolide wirken als Pheromone und werden von vielen Tieren zur chemischen Kommunikation genutzt. Kukuolid X wurde als Pheromon identifiziert, das den weiblichen Käfer Oryzaephilus surinamensis, einen Schädling von Mais und Reis, anlockt.

Makrolactine sind Makrolide, die aus Bacillus- und Actinomadura-Bakterienstämmen isoliert wurden. Derzeit sind 19 Makrolactine (A-S) in der Literatur beschrieben. Ihre biologische Aktivität reicht von antiviral bis antimykotisch. Macrolactin A z.B. zeigt eine starke Aktivität gegen das Herpes-Simplex-Virus und kann die HIV-Replikation beim Menschen kontrollieren. Die Macrolactine T und B hingegen sind in der Lage, die Pilze Alternaria solani und Pyricularia oryzae sowie das Bakterium Staphylococcus aureus zu hemmen. Dann gibt es die Chinolidomycine A1, A2 und B1, von denen die Chinolidomycine A1 und B1 das Wachstum verschiedener, auch arzneimittelresistenter Krebszellen hemmen.

Angeregt durch die zahlreichen Beispiele natürlich vorkommender Lactone und ihre vielfältigen biologischen Aktivitäten haben sich Chemiker aus dem Bereich der organischen Chemie mit dem Design von Lactonringen befasst.

Industrielle Anwendungen von Lactonen

Lactone sind so interessante Stoffe, dass es ein Bärendienst wäre, ihr Potenzial nicht zu nutzen. Aus diesem Grund werden sie in einer Vielzahl von Industriezweigen verwendet.

Da es sich bei Lactonen um aromatische Verbindungen handelt, ist die Parfümindustrie einer der größten Nutznießer. Die sensorischen Eigenschaften der Laktone ermöglichen es, ungewöhnliche Aromen zu erzeugen, wie den Duft von Jasmin, Vanille oder Katzenminze. Auf den Etiketten von Parfüms und parfümierten Kosmetika sind verschiedene Substanzen mit Laktonstruktur zu finden.

Auch in der Landwirtschaft und im Gartenbau werden sie in großem Umfang verwendet. Einige der Laktone haben eine sehr effiziente Wirkung gegen Insekten, Parasiten oder Unkraut.

Zusammenfassung

Die Familie der Laktone umfasst Tausende von verschiedenen Substanzen. Obwohl sie ein gemeinsames Strukturelement haben (den Lactonring), können sie sich in ihrer Wirkung drastisch unterscheiden. In populärwissenschaftlichen Texten wird ihnen nicht so viel Aufmerksamkeit geschenkt wie z. B. den Polyphenolen, aber es gibt dennoch viele Laktone, die hervorragende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben. Den Laktonen verdanken wir die Vorteile von Kräutern wie Ashwagandha oder Gingo biloba. Das Vorhandensein von Laktonen in der Natur und die weitere Erforschung dieser Stoffe öffnet den Wissenschaftlern die Tür zu neuen Instrumenten für die Entwicklung neuer und besserer Medikamente, die das Leben der Menschen retten. Wir drücken die Daumen, dass wir so viel wie möglich von der Kraft der Laktone profitieren können!

Quellen: