30.11.2016 - Universität Innsbruck

Lichtschalter im Herbstlaub

Gelbe Chlorophyll-Abbauprodukte sind umgebungsabhängige Photoschalter

Bevor Bäume im Winter ihre Blätter abwerfen, bieten sie uns zum Abschied noch ein herbstliches Farbenspiel in Rot-, Orange- und Gelbtönen. Ursache ist der Abbau des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll. Dabei entstehen unter anderem gelbe Phyllobiline, die, wie österreichische Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, außergewöhnliche chemische Eigenschaften zeigen: Sie agieren als vierstufige molekulare „Schalter“, die in Abhängigkeit von ihrer chemischen Umgebung auf unterschiedliche Weise durch Licht geschaltet werden.

Während des Sommers wandeln die grünen Blätter mithilfe ihres Chlorophylls Sonnenlicht in chemische Energie um. Bevor sie ihre Blätter in der kalten Jahreszeit abwerfen, holen sich 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 haben die Chlorophyllabbauprodukte aber außerdem auch eine physiologische Rolle.“

Beim Abbau von Chlorophyll entstehen sogenannte Phyllobiline. Die meisten sind farblos, aber in Blättern kommen auch gelbe vor, die Phylloxanthobiline. Die Forscher um Kräutler von den Universitäten Innsbruck und Graz (Österreich) und der Columbia University (USA) konnten jetzt zeigen, dass diese einzigartige vierstufige „Schalter“ sind, die auf Licht reagieren (Photoschalter). Die jeweilige molekulare Umgebung steuert, welcher „Schalt-Modus“ zum Einsatz kommt.

In polaren Medien, etwa in wässriger Umgebung im Zellinneren, liegen Phylloxanthobiline als einfache Moleküle vor. Unter Lichteinstrahlung wechseln sie reversibel zwischen zwei Formen mit leicht unterschiedlicher räumlicher Struktur an einer Doppelbindung (Z/E-Isomerisierung), ähnlich wie in bekannten wichtigen pflanzlichen Photoschaltern. In apolaren Medien und vermutlich in zellulären Membransystemen lagern sich jeweils zwei der Z-Isomere zu Paaren aneinander, die über Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Bei Bestrahlung mit Licht kommt es zu einer chemischen Reaktion dieser Molekülpaare, einer Cycloaddition, bei der die gepaarten Moleküle über einen Ring aus vier Kohlenstoffatomen fest miteinander zu Dimeren verknüpft werden. Durch leichtes Erwärmen lässt sich dieser Vorgang rückgängig machen.

„Durch Röntgenanalysen konnten wir nun erstmals die genaue räumliche Anordnung (Stereostruktur) eines Phylloxanthobilins und seiner im Kristall ebenfalls über Wasserstoffbrücken vorarrangierten Paar-Struktur ermitteln“, berichtet Kräutler. „Die faszinierende Chemie dieser Stoffe lässt auf wichtige, bisher jedoch noch nicht bekannte, physiologische Rollen der Phyllobiline, womöglich bei der Photoregulation von Pflanzen, schließen. Unsere neuen Erkenntnisse werden helfen, diese Rolle aufzuklären.“

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • Chlorophyll
  • Phyllobiline
  • Universität Innsbruck
  • Karl-Franzens-Unive…
  • Columbia University
  • Photoschalter
  • Cycloaddition

Mehr über Universität Innsbruck

  • News

    Quantensysteme und Bienenflug

    Mehr als zwei Billiarden verschiedene Zustände kann ein Quantensystem mit nur 51 geladenen Atomen einnehmen. Sein Verhalten zu berechnen, ist für einen Quantensimulator ein Kinderspiel. Doch nachzuprüfen, ob das Ergebnis stimmt, ist selbst mit aktuellen Supercomputern kaum noch zu schaffen. ... mehr

    Mit Quantensensoren noch genauer messen

    An der Universität Innsbruck haben Physiker um Peter Zoller und Thomas Monz den ersten programmierbaren Quantensensor entwickelt und im Labor getestet. Dazu haben sie eine Methode aus der Quanteninformationsverarbeitung auf ein Messproblem angewendet. Das innovative Verfahren eröffnet die P ... mehr

    Wie Feinstaub aus Schadstoff-Gasen entsteht

    Wenn in asiatischen Mega-Cities Winter-Smog herrscht, misst man in den Straßen mehr Feinstaub, als es eigentlich geben dürfte. Ein internationales Team mit Beteiligung von Forschern der Goethe-Universität Frankfurt sowie der Universitäten in Wien und Innsbruck hat jetzt herausgefunden, dass ... mehr

  • q&more Artikel

    Wissen statt Nichtwissen

    Biologie ist naturgemäß komplex und selbst die Ergebnisse einfachster biochemischer Experimente sind mit nicht zu vernachlässigendem experimentellen Rauschen behaftet. Biochemische Messungen sind jedoch das Rückgrat moderner Pharmaforschung. Wird die experimentelle Unsicherheit bei der Plan ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Christian Kramer

    Jg. 1980, studierte Molecular Sciences in Erlangen und Zürich. Er promovierte von 2007–2009 an der Universität Erlangen in enger Zusammenarbeit mit Boehringer-Ingelheim/Biberach über neue QSAR- und QSPR-Methoden zu statistischen Vorhersagen von physikochemischen und biochemischen Eigenschaf ... mehr

Mehr über Karl-Franzens-Universität Graz

  • News

    Biotech Start-up forscht mit Harvard und Google an Coronavirus-Arzneimittel

    Rund zwei Milliarden mögliche Wirkstoffe werden im weltweit größten computerbasierten „Screening-Projekt“ getestet. Die steirische Forschung erregt anlässlich des Coronavirus erneut internationales Aufsehen: Das Biotech Start-up Innophore, die Universität Graz und das acib, Austrian Centre ... mehr

    Wie man Biosprit aus Hefezellen gewinnt

    Biologisch hergestellter Treibstoff ist einer der Hoffnungsträger einer künftigen Energiewende. Verbrennungsmotoren mit klimaneutral hergestelltem Diesel oder Benzin könnten neben E-Mobilität den Ausstieg aus fossilen Energieträgern unterstützen. Derzeit muss dieser „Biosprit“ aber aus hoch ... mehr

    Lichtaktive Mikroalgen als Bio-Katalysatoren

    Ein blaugrüner Algenteppich kann das sommerliche Badevergnügen am See wörtlich „trüben“: Ursache sind einige Stämme von photosynthetisch aktiven Mikroalgen, auch Cyanobakterien genannt. Andere Stämme von Cyanobakterien, welche für den Menschen harmlos sind, haben ein großes Potential für bi ... mehr

  • q&more Artikel

    Lipidomics – der neue Stern am „OMICS“-Himmel

    Vor allem technologische und analytische Fortschritte bringen die Forschung voran. Dies gilt im biomedizinischen Bereich insbesondere für das Gebiet der Lipidforschung, das jahrzehntelang durch das Fehlen geeigneter Analysemethoden zur Untersuchung der enormen Komplexität von Lipiden im men ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Sepp D. Kohlwein

    Sepp D. Kohlwein, Jahrgang 1954, studierte Technische Chemie an der Technischen Universität Graz und promovierte dort 1982 am Institut für Biochemie zum Dr. techn. Bis 2001 war dort als assoziierter Professor tätig. Nach mehreren Forschungsaufenthalten am Albert Einstein College of Medicine ... mehr

Mehr über Columbia University

  • News

    Neue hochinteressante Perspektiven für die Antibiotika-Forschung

    Forscher der Universität Bayreuth und der Columbia University in New York berichten in der Zeitschrift „iScience“ über wegweisende Erkenntnisse zur Proteinbiosynthese in Bakterien. Das kleine Protein NusG verknüpft zwei molekulare Maschinen, die bei der Genexpression, der Herstellung bakter ... mehr

    Neuartige Materialien verwandeln sichtbares Licht in Infrarotlicht

    Wissenschaftlern der Columbia University ist es in Zusammenarbeit mit Forschern aus Harvard gelungen, ein chemisches Verfahren zur Umwandlung von sichtbarem Licht in Infrarotenergie zu entwickeln, bei dem harmlose Strahlung in lebendes Gewebe und andere Materialien eindringen kann, ohne die ... mehr

Mehr über Angewandte Chemie

  • News

    Ökonomische PEF-Herstellung

    Für Getränkebehälter lässt sich der Kunststoff PET sehr gut durch Polyethylenfuranoat (PEF) aus regenerativen Quellen ersetzen. Die Herstellung des Rohstoffs für PEF aus Biomasse ist jedoch bislang wenig effizient. Ein neuer Photokatalysator auf Titanbasis könnte die Rohstoffproduktion effi ... mehr

    Käfig mit Deckeln: Selektiver Einschluss von Seltenerdmetall-Hydraten in Wirtsmoleküle

    Metalle der Seltenen Erden sind unabdingbar für viele technische Produkte, von Smartphones, Notebooks über Akkus, Elektromotoren und Windräder bis zu Katalysatoren. Ein japanisches Team stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie einen molekularen „Käfig“ mit „Deckeln“ vor, mit sich bestimm ... mehr

    Mehr Daten in der Chemie

    Unzählige chemische Experimente sind in Datenbanken zugänglich. Dennoch sind diese Daten nicht gut genug, um mithilfe von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen bei neuen Synthesen Produktausbeuten vorherzusagen, hat ein Forschungsteam herausgefunden. Wie das Team in der Zeits ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: