Chlorophyll Abbau in höheren Pflanzen

Chlorophyll ist das für Pflanzen charakteristische Pigment. Sein Metabolismus wird überhaupt als das sichtbarste Zeichen des Lebens auf der Erde betrachtet. Das Entstehen der Herbstverfärbung im Laubwerk von Bäumen und Sträuchern, sowie die Farbveränderungen beim Reifen von Früchten und Getreide, sind alles sehr eindrücklich zu beobachtende Zeichen des Chlorophyll-Abbaues. Über diesen konnten aber - trotz seiner offensichtlichen Bedeutung - erst im Laufe des letzten Jahrzehnts strukturell unterstützte Informationen gewonnen werden. Wegweisende Beiträge zu dieser Thematik wurden von unserer Gruppe erbracht. Das vorliegende Projekt stellt Experimente vor, welche grundlegende Fragen zur Struktur und zum Auftreten von Chlorophyll-Kataboliten in höheren Pflanzen zum Gegenstand haben, wie auch zur biologischen Chemie von Schlüsselschritten im Chlorophyll-Abbau. Zum Zwecke der besseren Verfügbarkeit der Chlorophyll-Kataboliten werden weiters synthetische Zugänge zu ihnen ausgelotet. Die spezifisch vorgesehenen Beiträge sind folgende Untersuchungen: (i) Studium von zwei Schlüsselschritten des Chlorophyll-Abbaues durch in vitro Experimente: i) die Reduktion des "roten" Chlorophyll-Kataboliten (RCC) zum "fluoreszierenden" Chlorophyll-Kataboliten (pFCC) durch das Enzym RCC-Reduktase und ii) die nicht-enzymatische Isomerisierung des pFCC zu "nichtfluoreszierenden" Chlorophyll- Kataboliten (die verschiedentlich als "Endprodukte" des eigentlichen Chlorophyll-Abbaues in höheren Pflanzen aufgefasst werden). (ii) Untersuchungen über die Struktur und das Auftreten von farblosen Chlorophyll-Kataboliten in seneszenten höheren Pflanzen und unter natürlichen Bedingungen, um mehr über die Verbreitung des jetzt bekannten Chlorophyll-Abbauweges zu erfahren. (iii) Weiterentwicklung von (bio-mimetischen) Syntheseverfahren zur Herstellung von (teils) immer noch hypothetischen "roten", "fluoreszierenden" und "nichtfluoreszierenden" Chlorophyll-Kataboliten und Untersuchungen der biologisch relevanten chemischen Reaktivität der synthetisch zugänglichen (Analoga von) "roten", "fluoreszierenden" und "nicht-fluoreszierenden" Chlorophyll-Kataboliten. Diese Arbeiten sollen chemische Beiträge zu einem biologischen Thema mit beträchtlicher ökologischer und ökonomischer Bedeutung sein und unsere Kenntnisse über ein höchst faszinierendes Naturphänomen erweitern.

Chlorophyll, das grüne Pigment der Pflanzen, und sein jahreszeitlich bedingter Metabolismus dürfte das sichtbarste Zeichen des Lebens auf der Erde sein. Das Auftreten der Herbstverfärbung im Laub der Bäume und die Farbveränderungen, die in reifenden Früchten beobachtbar sind, sind überall sichtbare und faszinierende Zeichen des Chlorophyll Abbaues. Erst im Lauf der letzten sechzehn Jahre gelang es strukturelle und biochemische Information über den Chlorophyll Abbau zu gewinnen. Unsere Gruppe hat entscheidende Beiträge zu dieser Thematik geleistet, die inzwischen zur Erweiterung des Lehrbuch-Wissens beigetragen haben. Im vorliegenden Projekt wurden wichtige experimentelle Antworten zur Frage nach dem "Wie" des Chlorophyll Abbaues und zur Struktur und zum Vorkommen von Chlorophyll Kataboliten in seneszenten höheren Pflanzen gefunden, die dort entweder als Zwischen- oder als "End"-Produkte des Chlorophyll Abbaues auftreten. Der Chlorophyll Abbau in höheren Pflanzen wurde als ein streng regulierter Prozess erkannt, in dessen Verlauf zunächst ein Enzym-gebundenes rotes Zwischenprodukt in geringsten Mengen gebildet wird. Dieses wird dann rasch in einen sog. "fluoreszenten" Chlorophyll Kataboliten (FCC) übergeführt, aus welchen schließlich die "nichtfluoreszenten" Chlorophyll Kataboliten (NCCs) entstehen, die aber an der Peripherie weiter modifiziert sind. Unsere Arbeiten zeigten, dass FCCs spontan zu den korrespondierenden NCCs isomerisieren. Der Zeitpunkt, (zellulärer) Ort und der Modus dieser Transformation während des Chlorophyll Abbaues waren weitgehend unbekannte Aspekte am Beginn dieses Projektes. Wir haben experimentelle Indizien dafür erarbeitet, dass all dies in den Vakuolen passiert, den sog. "Abfall-Behältern" der Pflanzen Zellen. Die NCCs werden ja als die tetrapyrrolischen Endprodukte des Abbaues des Chlorophylls betrachtet und werden in den Vakuolen gefunden. Unsere Arbeiten führten zur Identifikation von zwei NCCs in reifen Früchten und zeigten, dass NCCs auch eine bislang übersehene Komponente der Nahrung sind. Diese Entdeckungen weisen auf den Bedarf nach mehr Information über die physiologische Wirkung in NCCs hin und könnten zu wichtigen und innovativen (agro- technologischen) Entwicklungen mit Pflanzen führen, die als Quellen für die Nahrung und für andere Zwecke dienen.