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Chemische Eigenschaften von Chlorophyllkataboliten

Chemical Properties of Chlorophyll Catabolites

Bernhard Kräutler (ORCID: 0000-0002-2222-0587)
  • Grant-DOI 10.55776/I563
  • Förderprogramm Einzelprojekte International
  • Status beendet
  • Projektbeginn 06.09.2010
  • Projektende 05.09.2015
  • Bewilligungssumme 274.386 €

Bilaterale Ausschreibung: USA

Wissenschaftsdisziplinen

Biologie (10%); Chemie (90%)

Keywords

    Chlorophyll Breakdown, Electrochemistry, Photobiology, Photochemistry, Redox Processes, Tetrapyrroles

Abstract Endbericht

Intellectual Merit: Chlorophyll, because of its role in photosynthesis in plants, is one of the most important and best studied molecules in all of the natural sciences. A signature of chlorophyll in plants is its characteristic brilliant green color. This color, along with the chlorophyll molecule, is transformed in leaves in the Fall season, as evidenced by their spectacular color changes. These color changes are triggered by metabolic processes that produce chlorophyll breakdown products, termed catabolites. The chlorophyll catabolism process also occurs in common fruit, such as bananas. The conversion of the peel of a banana from green (unripe) to yellow (ripe) is a common visual observation of the transformation of chlorophyll molecules through their light absorption properties. Several years ago Professor B. Kraeutler`s group at Innsbruck discovered a new phenomenon that was found to parallel the characteristic change in the absorption spectrum of banana peels: yellow bananas were found to glow blue when excited with UV light and intensity of the photoluminescence was at a maximum when the ripening was at its peak. The catablolites responsible for this striking photoluminescence were isolated and their structures characterized. The photophysics behind the photoluminescence of the catabolites was examined in preliminary exploratory and discovery oriented experiments by the research group at Columbia, lead by Professor Nicholas J. Turro. This proposal describes a continuation of this collaboration, in which the project now builds a transition from mainly discovery driven to mainly hypothesis driven chemical research, that will make important contributions to a fascinating biological phenomenon. Research at Innsbruck be directed towards the synthesis of selected samples of pure and well defined chlorophyll catabolites and include studies of their redox chemistry and antioxidant activities. The photophysical properties of these catabolites will be examined in detail at Columbia. When sufficient information on the structures of the catabolites is established by research at Innsbruck and Columbia, the current speculations concerning "the why" of chlorophyll catabolism will be translated into testable hypothesis concerning the possible role of these catabolites as antioxidants, as the source of "cell poisons" through photosensitized oxidations and as "sun screens" through the absorption of light. The role of catabolites in the presumed photosensitized production of singlet oxygen (1O2) will be directly tested by spectroscopic means at Columbia. The products of photooxidation and autooxidation will be characterized at Innsbruck. Broader Impact: The proposed chemical research and collateral activities will directly advance our knowledge on the impact of chlorophyll catabolites in nature, and will promote and assist the exploration of new paths for the discovery of their relevance in plant physiology. All of this research is driven by a change of paradigm concerning the role of chlorophyll breakdown in higher plants. It will also engage graduate students and postdoctoral associates at a new forefront of research, and promote their intellectual and professional development. Likewise, the proposed activities will enhance the infrastructure for research and education, e.g., by developing internet based cyber infrastructure to boost the effectiveness of the Innsbruck-Columbia collaboration. The PI at Columbia has initiated design of an iCollaboratory (internet collaboration laboratory) that employs commonly available laptop computers and free software to integrate the scientific knowledge exchange between the collaborators. For example, the Innsbruck-Columbia team uses available audio-video tools coupled with free internet connections to discuss on- going research in a face-to-face manner. These cyber tools will be extended to the laboratory where researchers can see experiments being executed in real time. These tools will be especially powerful in preparing for visits of researchers between the laboratories. Both PIs will explore the "glowing banana" photoluminescence phenomena to develop experiments that allow high school students and college undergraduate to experience this stunning visual discovery. The chemistry and biochemistry of pigments related to chlorophyll and their chemical changes, that underlie cell death, provide a stimulating context for inspiring the study of the ripening of bananas and other fruit. Professor Pat O`Hara of Amherst College has used our publications on the phenomenon to develop experiments for high school teachers to design experiments employing fluorescence to monitor the ripening of bananas.

Chlorophyll (Chl) ist das charakteristische grüne Pigment der Pflanzen. Dieses wird im Zuge der faszinierenden Herbstverfärbung von laubwerfenden Pflanzen unter Farbveränderungen abgebaut. Erst vor etwa 25 Jahren wurde die überraschende Bildung von farblosen Chl-Kataboliten in gelben, seneszenten Blättern klar dokumentiert. Vorher war noch unbekannt was beim Chl-Abbau passiert. Inzwischen liegen, auch dank grundlegender Beiträge unserer Gruppe, wichtige Erkenntnisse auf dem Gebiet des Chl-Abbaus vor, die ihren Niederschlag schon in pflanzenbiologischen Lehrbüchern gefunden haben. Die Entdeckung des gehäuften Auftretens von ungewöhnlichen fluoreszierenden Chl-Kataboliten (FCCs) in reifen Bananen, sowie die Beobachtung der von diesen FCCs hervorgerufenen blauen Lumineszenz dieser Früchte, veranlasste uns vorzuschlagen, dass Chl-Kataboliten (heute als Phyllobiline bezeichnet) wichtige physiologische Rollen in der Pflanze zukommen sollten. Das vorliegende Projekt beschäftigte sich mit den chemischen Eigenschaften von farbigen Phyllobilinen und von FCCs, die zumeist nur als transiente Produkte des Chl- Abbaus und in kleinen Mengen in seneszenten Blättern und reifenden Früchten gefunden werden. Untersuchungen an partialsynthetisch hergestellten roten Chl-Kataboliten (RCCs), an FCCs und an gelben Chl-Kataboliten (YCCs) wurden mittels photo-physikalischer, struktur- und redox-chemischer Methoden durchgeführt. Diese Studien weisen auf außergewöhnliche Eigenschaften von RCCs (leicht reduzierbare Phyllobiline), von FCCs (Sensibilisatoren für die Erzeugung des toxischen Singulett Sauerstoffs) und von YCCs (Antioxidantien und ausgezeichnete bidentate Liganden für Übergangsmetall-Ionen) hin, die auch in den Pflanzen von physiologischer Bedeutung sein können. Unsere Arbeiten haben damit die Ansicht bestärkt, dass Phyllobiline (die offenkettigen, tetrapyrrolischen Kataboliten des Chl) nicht mehr (nur) als Abfallprodukte eines biologischen Entgiftungsprozesses zu verstehen sind, wie früher angenommen. Ihre hypothetischen Wirkungen in den Pflanzen dürften dabei zunächst mit den anti-oxidativen Eigenschaften in Verbindung gebracht werden, sowie mit ihrer Absorption von Sonnenlicht und (für FCCs) der Lichtemission (Fluoreszenz), sowie der Erzeugung von Singulett Sauerstoff. Manche dieser photochemischen Eigenschaften der Chl-Kataboliten erlauben Untersuchungen im intakten Pflanzengewebe. Damit ist eine Grundlage für weitere Studien an Pflanzen über die physiologische Wirkung von Chl-Kataboliten gelegt, von welchen einige auch in pflanzenfressenden Säugern und Menschen von Bedeutung sein könnten.

Forschungsstätte(n)
  • Universität Innsbruck - 100%
Internationale Projektbeteiligte
  • Nicolas J. Turro, Columbia University New York - Vereinigte Staaten von Amerika

Research Output

  • 825 Zitationen
  • 30 Publikationen
Publikationen
  • 2016
    Titel Von Chlorophyll abstammende gelbe Phyllobiline höherer Pflanzen als umgebungsgesteuerte, chirale Photoschalter
    DOI 10.1002/ange.201609481
    Typ Journal Article
    Autor Li C
    Journal Angewandte Chemie
    Seiten 15992-15997
    Link Publikation
  • 2015
    Titel Transition metal complexes of phyllobilins – a new realm of bioinorganic chemistry
    DOI 10.1039/c5dt00474h
    Typ Journal Article
    Autor Li C
    Journal Dalton Transactions
    Seiten 10116-10127
    Link Publikation
  • 2015
    Titel A Dioxobilin-Type Fluorescent Chlorophyll Catabolite as a Transient Early Intermediate of the Dioxobilin-Branch of Chlorophyll Breakdown in Arabidopsis thaliana
    DOI 10.1002/anie.201506299
    Typ Journal Article
    Autor Süssenbacher I
    Journal Angewandte Chemie International Edition
    Seiten 13777-13781
    Link Publikation
  • 2017
    Titel On the Nature of Isomeric Nonfluorescent Chlorophyll Catabolites in Leaves and Fruit – A Study with a Ubiquitous Phylloleucobilin and its Main Isomerization Product
    DOI 10.1002/cbdv.201700368
    Typ Journal Article
    Autor Moser S
    Journal Chemistry & Biodiversity
    Link Publikation
  • 2016
    Titel Breakdown of Chlorophyll in Higher Plants—Phyllobilins as Abundant, Yet Hardly Visible Signs of Ripening, Senescence, and Cell Death
    DOI 10.1002/anie.201508928
    Typ Journal Article
    Autor Kräutler B
    Journal Angewandte Chemie International Edition
    Seiten 4882-4907
    Link Publikation
  • 2018
    Titel Pyro-Phyllobilins: Elusive Chlorophyll Catabolites Lacking a Critical Carboxylate Function of the Natural Chlorophylls
    DOI 10.1002/chem.201705331
    Typ Journal Article
    Autor Li C
    Journal Chemistry – A European Journal
    Seiten 2987-2998
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Bioorganometallic chemistry
    DOI 10.1007/s00775-014-1166-x
    Typ Journal Article
    Journal JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry
    Seiten 867-874
  • 2014
    Titel Phyllobilins – the abundant bilin-type tetrapyrrolic catabolites of the green plant pigment chlorophyll
    DOI 10.1039/c4cs00079j
    Typ Journal Article
    Autor Kräutler B
    Journal Chemical Society Reviews
    Seiten 6227-6238
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Blue transition metal complexes of a natural bilin-type chlorophyll catabolite
    DOI 10.1039/c4sc00348a
    Typ Journal Article
    Autor Li C
    Journal Chemical Science
    Seiten 3388-3395
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Stereo- and Regioselective Phyllobilane Oxidation in Leaf Homogenates of the Peace Lily (Spathiphyllum wallisii): Hypothetical Endogenous Path to Yellow Chlorophyll Catabolites
    DOI 10.1002/chem.201404783
    Typ Journal Article
    Autor Vergeiner C
    Journal Chemistry – A European Journal
    Seiten 136-149
    Link Publikation
  • 2013
    Titel Hydroxymethylated Phyllobilins: A Puzzling New Feature of the Dioxobilin Branch of Chlorophyll Breakdown
    DOI 10.1002/chem.201303398
    Typ Journal Article
    Autor Süssenbacher I
    Journal Chemistry – A European Journal
    Seiten 87-92
    Link Publikation
  • 2012
    Titel Was passiert, wenn's bunt wird
    DOI 10.1002/nadc.201290394
    Typ Journal Article
    Autor Kräutler B
    Journal Nachrichten aus der Chemie
    Seiten 1082-1086
  • 2014
    Titel Biosynthesis and Breakdown of Chlorophylls (review).
    Typ Book Chapter
    Autor Golovko
  • 2014
    Titel Lighting-up red luminescence by a blue transition metal complex of a chlorophyll catabolite.
    Typ Journal Article
    Autor Kräutler B Et Al
  • 2014
    Titel Transition metal complexes of a natural chlorophyll catabolite.
    Typ Journal Article
    Autor Kräutler B Et Al
  • 2014
    Titel Water deficit induces chlorophyll degradation via the 'PAO/phyllobilin' pathway in leaves of homoio- (Craterostigma pumilum) and poikilochlorophyllous (Xerophyta viscosa) resurrection plants
    DOI 10.5167/uzh-104517
    Typ Other
    Autor Christ
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Structure elucidation of chlorophyll catabolites (phyllobilins) by ESI-mass spectrometry—Pseudo-molecular ions and fragmentation analysis of a nonfluorescent chlorophyll catabolite (NCC)
    DOI 10.1016/j.ijms.2013.12.028
    Typ Journal Article
    Autor Müller T
    Journal International Journal of Mass Spectrometry
    Seiten 48-55
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Cover Picture: Stereo- and Regioselective Phyllobilane Oxidation in Leaf Homogenates of the Peace Lily (Spathiphyllum wallisii): Hypothetical Endogenous Path to Yellow Chlorophyll Catabolites (Chem. Eur. J. 1/2015)
    DOI 10.1002/chem.201490218
    Typ Journal Article
    Autor Vergeiner C
    Journal Chemistry – A European Journal
    Seiten 1-1
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Water deficit induces chlorophyll degradation via the ‘PAO/phyllobilin’ pathway in leaves of homoio- (Craterostigma pumilum) and poikilochlorophyllous (Xerophyta viscosa) resurrection plants
    DOI 10.1111/pce.12308
    Typ Journal Article
    Autor Christ B
    Journal Plant, Cell & Environment
    Seiten 2521-2531
    Link Publikation
  • 2016
    Titel Synthesis, spectroscopic and crystallographic analysis of the Zn-complex of a di(ß,ß'-sulfoleno)pyrrin: model for Zn-complexes of bilirubin and of phylloxanthobilins
    DOI 10.1007/s00706-016-1748-0
    Typ Journal Article
    Autor Li C
    Journal Monatshefte für Chemie - Chemical Monthly
    Seiten 1031-1036
    Link Publikation
  • 2016
    Titel Chlorophyll Catabolites in Fall Leaves of the Wych Elm Tree Present a Novel Glycosylation Motif
    DOI 10.1002/chem.201601739
    Typ Journal Article
    Autor Scherl M
    Journal Chemistry – A European Journal
    Seiten 9498-9503
    Link Publikation
  • 2016
    Titel Chlorophyll Catabolites in Senescent Leaves of the Plum Tree (Prunus domestica)
    DOI 10.1002/cbdv.201600181
    Typ Journal Article
    Autor Erhart T
    Journal Chemistry & Biodiversity
    Seiten 1441-1453
    Link Publikation
  • 2015
    Titel Colorless Chlorophyll Catabolites in Senescent Florets of Broccoli (Brassica oleracea var. italica)
    DOI 10.1021/jf5055326
    Typ Journal Article
    Autor Roiser M
    Journal Journal of Agricultural and Food Chemistry
    Seiten 1385-1392
    Link Publikation
  • 2015
    Titel Leuchtende Bananen - Chlorophyll-Abbau in Blättern und Früchten.
    Typ Journal Article
    Autor Kräutler B
    Journal Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule.
  • 2015
    Titel Hydroxymethylated Dioxobilins in Senescent Arabidopsis thaliana Leaves: Sign of a Puzzling Biosynthetic Intermezzo of Chlorophyll Breakdown
    DOI 10.1002/chem.201501489
    Typ Journal Article
    Autor Süssenbacher I
    Journal Chemistry – A European Journal
    Seiten 11664-11670
    Link Publikation
  • 2013
    Titel Chlorophyll Breakdown - Chemistry, Biochemistry and Biology (review).
    Typ Book Chapter
    Autor Ferreira
  • 2013
    Titel Über das Verschwinden des Chlorophylls, Teil 1 / Die Herbstverfärbung und blau leuchtende Bananen.
    Typ Journal Article
    Autor Kräutler B Et Al
    Journal Chemie und Schule.
  • 2013
    Titel Chlorophyll Breakdown in Senescent Banana Leaves: Catabolism Reprogrammed for Biosynthesis of Persistent Blue Fluorescent Tetrapyrroles
    DOI 10.1002/chem.201301907
    Typ Journal Article
    Autor Vergeiner C
    Journal Chemistry – A European Journal
    Seiten 12294-12305
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Photochemical studies of a fluorescent chlorophyll catabolite–source of bright blue fluorescence in plant tissue and efficient sensitizer of singlet oxygen
    DOI 10.1039/c3pp50392e
    Typ Journal Article
    Autor Jockusch S
    Journal Photochemical & Photobiological Sciences
    Seiten 407-411
  • 0
    Titel Zn-complex of a natural yellow chlorophyll catabolite Sources.
    Typ Other
    Autor Kräutler B

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