Перед тем, как деревья сбрасывают листву зимой, они предлагают нам яркое осеннее отображение красных, оранжевых и желтых цветов. Это происходит в результате разложения соединения, которое делает листья зелеными: хлорофилла. Среди продуктов разложения - желтые филлобилины, проявляющие необычные химические свойства. Как сообщают австрийские ученые в журнале Angewandte Chemie, эти соединения действуют как четырехступенчатые молекулярные «переключатели», которые срабатывают под действием света по-разному в зависимости от окружающей среды.
Летом зеленые листья используют свой хлорофилл для преобразования солнечного света в химическую энергию. Прежде чем они потеряют свои листья в холодное время года, деревья восстанавливают важные питательные вещества, такие как азот и минералы. «Хлорофилл, высвобождаемый в этом процессе, должен быть расщеплен, потому что он оказывает повреждающее воздействие на дерево, когда оно облучается светом в несвязанном состоянии», - объясняет Бернхард Кройтлер. «Предположительно, продукты распада хлорофилла также играют физиологическую роль».
Разложение хлорофилла приводит к образованию филлобилинов. Большинство из них бесцветные, но в листьях есть и желтые, известные как филлоксантобилины. Исследователи, работающие с Кройтлером в университетах Инсбрука и Граца (Австрия) и Колумбийском университете (США), продемонстрировали, что эти соединения действуют как уникальные четырехступенчатые «переключатели», реагирующие на свет (фотопереключатели). Молекулярная среда определяет, какой «механизм переключения» используется.
В полярных средах, таких как водная среда внутри клетки, филлоксантобилины обнаруживаются в виде простых молекул. При облучении светом они обратимо переключаются между двумя формами, имеющими немного отличающуюся пространственную структуру вокруг одной двойной связи (Z/E-изомеризация). Это похоже на важные фотопереключатели растений. В неполярных средах и, предположительно, в клеточных мембранных системах Z-изомеры образуют пары и удерживаются вместе водородными связями. Облучение светом приводит к химической реакции между двумя спаренными молекулами. В этом циклоприсоединении спаренные молекулы связываются вместе в димер через кольцо, состоящее из четырех атомов углерода. Небольшой нагрев меняет этот процесс на обратный.
«Используя рентгеноструктурный анализ, мы смогли определить точное пространственное расположение (стереоструктуру) филлоксантобилинов и структуру пары водородных связей, которую они принимают при кристаллизации», - сообщает Кройтлер. «Увлекательный химический состав этих веществ также предполагает, что филлобилины могут играть важную, неизвестную физиологическую роль, возможно, в фоторегуляции растений. Наши новые идеи помогут прояснить эту роль».