Understanding chlorophylls: Zentrales Magnesium-Ion und Phytyl als strukturelle Determinanten

Phytol, ein C20-Alkohol, der das C-173-Propionat verestert, und das im zentralen Hohlraum chelatisierte Mg2+-Ion sind konservative strukturelle Bestandteile der Chlorophylle. Um ihre intramolekularen Struktureffekte zu bewerten, haben wir eine Reihe von metall- und phytylfreien Derivaten des Bakteriochlorophylls a hergestellt und sie als Modellchlorophylle verwendet. Eine detaillierte spektroskopische Untersuchung der Modellpigmente zeigt deutliche Unterschiede in den spektralen Eigenschaften der phytylierten und nicht phytylierten Pigmente. Ihre Analyse in Bezug auf Solvatochromie und axiale Koordination zeigt, wie das zentrale Mg und der Phytylrest die Eigenschaften des Pigments prägen. Überraschenderweise hat das Vorhandensein bzw. Fehlen des zentralen Mg keinen Einfluss auf die Solvatochromie des π-Elektronensystems des (Bakterio-)Chlorophylls, und die Hydrophobie des Phytyls beeinträchtigt die erste Solvatationsschale des Chromophors nicht. Beide Reste haben jedoch einen erheblichen Einfluss auf die Konformation des Pigment-Makrozyklus, und die Entfernung eines der beiden Reste erhöht die Flexibilität des Makrozyklus. Die Chelatbildung von Mg hat eine abflachende Wirkung auf den Makrozyklus, während der sperrige Phytylrest die Konformation des Chromophors über sterische Wechselwirkungen mit Ring V und seinen Substituenten zu steuern scheint. Die Analyse der spektroskopischen Eigenschaften von Bakteriochlorophyllid (freie Säure) zeigt, dass die Veresterung des C-173-Propionats in Chlorophyllen notwendig ist, da die Carboxylgruppe als starker Chelator für das zentrale Mg wirken kann. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die in theoretischen Studien verwendeten verkürzten Chlorophylle nicht als Modelle nativer Chromophore geeignet sind, insbesondere wenn feine Effekte modelliert werden sollen.

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