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Photoschalter im Herbstlaub

21.12.2016

Gelbe Abbauprodukte des Chlorophylls agieren als umgebungsabhängige Photoschalter in den sich verfärbenden Blättern. Das hat die Forschungsgruppe um Prof. Bernhard Kräutler vom Institut für Organische Chemie gemeinsam mit Kooperationspartnern aufgedeckt. Die Erkenntnis könnte helfen, die biologische Funktion dieser Abbauprodukte in den Pflanzen aufzuklären.

Bevor Bäume im Winter ihre Blätter abwerfen, bieten sie zum Abschied noch ein herbstliches Farbenspiel in Rot-, Orange- und Gelbtönen. Ursache dafür ist der Abbau des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll zu den sogenannten Phyllobilinen. Dabei entstehen unter anderem die gelben Phylloxanthobiline. Wie die Wissenschaftler um Prof. Bernhard Kräutler und Dr. Chengjie Li in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, zeigen Phylloxanthobiline außergewöhnliche chemische Eigenschaften: Sie agieren als vierstufige molekulare "Schalter", die in Abhängigkeit von ihrer chemischen Umgebung auf unterschiedliche Weise durch Licht gesteuert werden.

Während des Sommers wandeln die grünen Blätter mithilfe des Chlorophylls Sonnenlicht in chemische Energie um. Bevor sie die Blätter in der kalten Jahreszeit abwerfen, holen sich die Bäume wichtige Nährstoffe wie Stickstoff und Mineralien zurück. "Das dabei freigesetzte Chlorophyll muss abgebaut werden, da es in ungebundener Form unter Lichteinstrahlung für den Baum schädlich wirkt", erläutert Bernhard Kräutler. "Vermutlich sind die Phyllobiline aber nicht nur Entgiftungsprodukte, sondern haben auch biologische Funktionen."

Umgebungsabhängiger Schalter

Die meisten natürlichen Phyllobiline sind farblos, aber in Blättern kommen auch die gelben Phylloxanthobiline vor. Die Arbeitsgruppe um Kräutler konnte jetzt gemeinsam mit Kollegen vom Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie sowie Forschern der Universität Graz und der Columbia University in den USA zeigen, dass diese Moleküle einzigartige vierstufige "Schalter" sind, die auf Licht reagieren. Die jeweilige Umgebung steuert, welcher "Schalt-Modus" dieser Photoschalter zum Einsatz kommt.

In wässriger Umgebung, wie im Inneren von Pflanzenzellen, liegen Phylloxanthobiline als einfache Moleküle vor. Unter Lichteinstrahlung wechseln sie reversibel zwischen zwei Formen mit unterschiedlicher räumlicher Struktur, ähnlich wie in bekannten pflanzlichen Photoschaltern, die meist Abbauprodukte von Häm sind. "Hier gibt es eine interessante Analogie zum menschlichen Organismus, in dessen Blut Häm ebenfalls eine wichtige Rolle spielt", sagt Prof. Kräutler, den die Suche nach der biologischen Funktion von Produkten des Chlorophyllabbaus schon lange antreibt. "Abbauprodukte von Häm haben also vielfältige physiologische Funktionen, ähnliches könnte für lichtgesteuerte Phyllobiline gelten."

Im Labor entdeckten die Innsbrucker Chemiker, dass sich in nicht polaren Medien jeweils zwei dieser Farbstoffmoleküle zu Paaren aneinanderfügen, die über Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Bei Bestrahlung mit Licht kommt es zu einer chemischen Reaktion dieser Molekülpaare, bei der diese über einen Ring aus vier Kohlenstoffatomen fest miteinander verbunden werden. Durch leichtes Erwärmen lässt sich dieser Vorgang wieder rückgängig machen. Die Chemiker vermuten, dass die neuentdeckten Paar-Strukturen auch in Zellmembranen auftreten.

Funktion (noch) unbekannt

"Durch Röntgenanalysen konnten wir nun erstmals die genaue räumliche Anordnung eines Phylloxanthobilins und seiner im Kristall ebenfalls über Wasserstoffbrücken vorarrangierten Paar-Struktur ermitteln", berichtet Kräutler. "Die faszinierende Chemie dieser Stoffe macht wichtige, jedoch noch unbekannte, physiologische Rollen der Phyllobiline wahrscheinlich." Die Chemiker vermuten, dass gelbe Phyllobiline in der Pflanze eine Rolle bei der Photoregulation von Genen spielen könnten. Die aktuellen Erkenntnisse können helfen, solche biologische Funktionen aufzuspüren.

Links

- Von Chlorophyll abstammende gelbe Phyllobiline höherer Pflanzen als umgebungsgesteuerte, chirale Photoschalter. Chengjie Li, Klaus Wurst, Steffen Jockusch, Karl Gruber, Maren Podewitz, Klaus R. Liedl, Bernhard Kräutler. Angewandte Chemie 2016

- Homepage AG Bernhard Kräutler

- Institut für Organische Chemie

- Forschungsschwerpunkt Centrum für Molekulare Biowissenschaften (CMBI)

Quelle: Universität Innsbruck

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