De biosynthese van terpenen

De biosynthese, dus de manier waarop planten zelf stoffen maken, is nogal complex. Ook de manier waarop planten in bepaalde cellen (zie bericht 25 januari) etherische olie produceren. Om dit verhaal goed te kunnen volgen is wel enige kennis van de scheikunde en biochemie nodig.

Een plant is in staat om via de fotosynthese glucose te maken. Planten gebruiken de glucose voor de verbranding of slaan het op in de vorm van zetmeel. De fotosynthese vind plaats in de chloroplasten. 

Bij de verbranding van glucose (glycolyse), die in een aantal stappen verloopt, komt energie vrij.

Deze reacties vinden voor een groot deel plaats in de mitochondrien. Bij deze reacties worden twee stoffen gevormd die van belang zijn voor de vorming van terpenen.

Terpenen vormen het belangrijkste bestanddeel van de etherische olie.
 

Deze twee stoffen zijn glyceraldehyde-3-fosfaat en pyruvaat. Via verschillende stappen en door middel van specifieke enzymen wordt er uiteindelijk IPP en DMAPP gevormd. De stap hierna is de vorming van GPP, geranyl difosfaat. Zie onderstaand schema:

 

IPP staat voor isopentenyl pyrofosfaat en DMAPP voor dimethylallyl pyrofosfaat. Er zijn twee plekken waar  de vormingsreacties van IPP en DMAPP  plaatsvinden. Schema A: in het cytosol (cytoplasma) en schema B: in een plastide.

IPP en DMAPP (isoprenen) zijn de bouwstenen voor de vorming van talloze terpenen.

Alle terpenen zijn afgeleid van de condensatie van de 5- koolstof atomen unit isopentenyl diphosphate (IPP)  en zijn  isomeer dimethylallyl diphosphate (DMAPP). Afhankelijk van het aantal isopreen units dat aan elkaar geknoopt wordt, zijn terpenen ingedeeld op het aantal C-atomen: hemiterpenen (C5), monoterpenen (C10), sesqui- (C15), di- (C20), sester-, tri-, en tetraterpenen (C25, C30, C40, respectievelijk).

Bovenstaand schema laat zien hoe de terpenen uit IPP en DMAPP worden gevormd. Dit is in hoofdlijnen hoe de biosynthese van terpenen verloopt.  (klik met de linkermuisknop op de afbeelding of het schema om het te vergroten)







De biosynthese van limoneen en carvoon in karwijzaad

  



Karwij



Verder zijn er veel soortspecifieke biosyntheses zoals bijvoorbeeld in karwijzaad. Uit geranyl difosfaat wordt met het enzym limoneensynthase limoneen (een monoterpeen) gevormd. Via twee andere enzymen kan limoneen ook weer worden omgevormd tot carvoon. Dit beknopte verhaal heb ik kunnen schrijven oa na het lezen van:
artikelen gepubliceerd op: http://www.plantphysiol.org/cgi/content/full/135/4/1893#top#top
en de vele schema's over dit onderwerp die op internet beschikbaar zijn.Monoterpene production and regulation in Lavenders (Lavandula angustifolia and Lavandula x intermedia) by Astrid Boeckelmann; downloaden via: https://circle.ubc.ca/bitstream/handle/2429/2804/ubc_2008_fall_boeckelmann_astrid.pdf?sequence=1 

Planten anatomie en de productie van etherische olie

Om meer te weten te komen over hoe en waar de plant etherische olie produceert heb ik het boekje 'Secretory structures of aromatic and medical plants' aangeschaft.



Dit boekje, geschreven door Katerina P. Svoboda and Tomas G. Svoboda, geeft met scherpe microscopische foto's een goed beeld van de verschillende structuren in de plant die verantwoordelijk zijn voor de olieproductie. Er zijn verschillende olie-afscheidende structuren:  



Transverse section of magnolia leaf (Magnolia)

De meest eenvoudige bestaat uit één cel. Dit blad van de magnolia heeft individueele cellen die etherische olie produceren en opslaan.

Het systeem is simpel: de verzamelplek van de olie is een vacuole (in de cel) die voorzien is van een membraan. De cellen liggen geisoleerd en hebben een andere inwendige celstructuur dan de cellen er omheen.De biosynsthese van alle bestanddelen van de etherische olie vind plaats in plastiden (zelfde type organel als de chloroplasten) en in het cytoplasma van de olie producerende cel.

dwarsdoorsnede enucalyptusblad met twee uitscheidings holtes

Er zijn ook planten, zoals bijvoorbeeld Eucalyptus, die binnen de plantstructuur een holte hebben waarop een groot aantal olie producerende cellen uitkomen. Deze zogenaamde uitscheidings holtes zijn de plek waar de plant de geproduceerde etherische olie opslaat.

uitscheidings holtes Citrus

Ook citrus soorten zoals sinaasappel hebben dit soort holtes die in de opperhuid van de schil liggen. Dat verklaart ook dat bij het pellen van een sinaasappel de geuren vrijkomen. 



Lavendel olie klier





Bij de Labiatae familie, en dus ook alle lavendelsoorten, kom je weer een heel andere structuur tegen. Op de opperhuid van de planten liggen bolvormige klieren die met twee cellen  verbonden zijn aan de opperhuidcellen.



Deze zogenaamde olie uitscheidende klier (secretory gland) bestaat uit een flink aantal olieproducerende cellen gelegen rond een olie opslag holte. 



 Figure 3: Glandular trichomes in Lamiaceae. o=oil drop, sc=subcuticular storage cavitiy, h=head cells (site of terpene biosynthesis), s= stem and b= basal cells. (Modified after Fahn, 1979a)

Stengels en bloemen van bloeiende planten zijn dan ook bezaaid  met deze klieren. 



Marjoram SEM photo



Zoals marjoraan (Origanum majorana) hier gefotografeerd met een scan electronen microscoop (SEM), en  hieronder een foto van rozemarijn.

Deze structuur verklaard ook dat als je de planten aanraakt er etherische olie vrij komt.
Zelfs als je de planten droogt zoals veel met lavendel gedaan wordt blijft de olie in de klieren zitten.


dwarsdoorsnede van een naald van een conifeer





Een nog complexere structuur is die van de harskanalen. Deze kanaalvormige structuur vind je onder andere bij naaldbomen. Deze harskanalen maken een verbinding van de wortels van de boom tot in het blad, bloem en vrucht.



 Magnification of ducts in wormwood. There are two ducts here, the one on the left is old enough to have developed a small lumen and epithelium; the one on the right has not yet reached the stage of having a lumen. The arrow points to an area where the cells might be starting to pull apart – the black material between the cells might be the first stages of the breakdown of the middle lamella (there are places in the upper part of this micrograph where there are similar amounts of dark material between cells





 Transverse section of needle leaf of pine (Pinus). The needles of pines and many other conifers have resin canals with complex epithelia.

Bij de vorming van deze kanalen ontstaan in het epitheelweefsel olieproducerende cellen. De olie die deze cellen in hun leukplast produceren verlaat via het endplasmatisch reticulum de cel in het harskanaal. De kanalen zitten relatief dicht aan het oppervlakte van het blad. Niet zonder reden. De kleinst mogelijke dieren die een hap uit een dennenaald willen nemen zien daar onmiddelijk van af vanwege de bittere smaak die de harsen geven. Dit is dus een bescherming voor naaldbomen.
Wie nog wat na wil lezen over plant anatomie: http://www.sbs.utexas.edu/mauseth/weblab/

Dennennaalden uit de Chaamse bossen

Om aan voldoende naalden en takjes te komen van naaldhoutbomen had ik in oktober/november contact gezocht met de beheerseenheid Langstraat / Chaam van Staatsbosbeheer. Ik kreeg toestemming om op kleine schaal jonge boompjes, die spontaan opkomen op plekken waar dat uiteindelijk niet gewenst is, te gebruiken om te destilleren.

Het uitgestrekte bosgebied dat onder de beheerseenheid van Staatsbosbeheer valt is ongeveer 8 vierkante kilometer groot en ligt ten zuiden en westen van Gilze. Het  strekt zich uit van Ulvenhout/Breda in het westen tot Alphen in het oosten.

wandelroute Chaamse bossen

Dit aanééngesloten bosgebied is ontstaan in de zestiende eeuw met de aanleg van het Mastbos door Graaf Hendrik III van Nassau. Aan het eind van de negentiende eeuw gaf de overheid de opdracht tot bebossen van grote stukken heide en zandgrond waardoor de Chaamse bossen ontstonden.

Afgelopen week had ik tijd om naar het bos te gaan en takjes van  dennenboompjes te knippen om ze daarna te gaan destilleren.

 

Het ging hierbij om de grove den, Pinus Sylvestrus, een soort die je veel tegenkomt in de Nederlandse bossen.

Hiervoor had ik ook een zaag nodig om de takken en stam die ik niet gebruikt heb in kleinere stukken te zagen. Wat overbleef was een klein stompje van het jonge dennenboompje.

Het was niet mogelijk om de geknipte dennentakjes dezelfde dag nog te destilleren.

De dag erna heb ik de kolom en de top van de alambiek  gevuld met de nog verse takjes.

De destillatie duurde wat langer vanwege de lage (buiten)temperatuur. Het was circa 6 graden Celcius.

Dat deze temperatuur niet geschikt is om goed te kunnen destilleren bleek eigenlijk al in het begin.

Door de lage buitentemperatuur waarbij ik werkte werden de stoom en de oliedeeltjes te snel afgekoeld.

Het water in de koelemmer was op het moment dat de destillatie begon zo'n 5 graden Celcius.

Bij het stoomdestilleren van etherische olie is het juist belangrijk dat je stoom en oliedeeltjes geleidelijk afkoelt naar zo'n 40-50 graden Celcius.

Het gevolg is het 'schrikken' van de olie. De olie vormt dan een vettige laag op de wand van de scheitrechter en kan niet meer goed van het hydrolaat (de waterlaag) gescheiden worden. Dit was dus zoals je het noemt een leermoment! Het was nog net mogelijk om 1 mL in een flesje over te brengen.



alpha-pineen



L-limoneeen



De dennenolie rook lekker maar toch weer anders dan de sparrenolie die ik in oktober had gemaakt.

Sparrennaaldolie bevat meer L-limoneen dan pineen waardoor het citrusachtig ruikt. Bij de Dennennaaldolie is het precies omgekeerd, daar overheerst door de grotere concentratie de geur van pineen.

Dennenolie heeft nogal wat geneeskrachtige werkingen, als je daar meer over wilt weten klik dan op: http://www.gielenaroma.nl/index.php?page=nederlands---latijn-d

Voor mij in ieder geval reden genoeg om in het voorjaar bij hoger temperaturen dennennaalden te gaan destilleren.