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Das Carotinoidmuster und die Verbreitung des lichtinduzierten Xanthophyllcyclus in verschiedenen Algenklassen

I. Methoden zur Identifizierung der Pigmente

The carotenoid pattern and the occurrence of the light induced xanthophyll cycle in various classes of algae

I. Methods for identification of the pigments

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Archiv für Mikrobiologie Aims and scope Submit manuscript

Summary

Methods for isolation, chromatographic separation and identification of carotenoids are described. Chemical reactions are emphasized, which distinguish the oxygen-functions (hydroxy-, epoxid- and keto-groups) of the carotene molecule.

  1. 1.

    With the aid of the very selective thin-layer B, algal carotenoids (including stereoisomeric forms) have been isolated, which have not been separable by chromatography until now.

  2. 2.

    Analytical methods for the determination of hydroxy-groups in carotenes as, e.g., formation of esters and ethers and elimination reactions were studied to characterize their specificity, side effects and applicability at micro-scale.

    The demonstration of allylic secondary OH-groups by their elimination in acidic inert solvents is not specific when tertiary hydroxy-groups are present. The establishment of such allylic secondary OH-groups by formation of ethers in acidic alcohols is difficult, because tertiary hydroxy-groups are eliminated and a furanoid rearrangement of epoxide-groups takes place. Allylic secondary OH-groups can be established, however, beyond question by their oxidation to keto-groups with the aid of the Meerwein-Ponndorf-Verley-Oppenauer reaction.

  3. 3.

    To clarify the structure of carotenoid-5,6-epoxides the reduction to the corresponding 5,6-olefine is used. A chemical reduction method modified for small amounts and an enzymatic transformation are described.

  4. 4.

    Number and position of keto-groups may be derived from the changed characteristics (e.g. in the absorption spectrum and in the Rf-value) of the carotenoid molecules after reduction of these groups to hydroxy-groups.

  5. 5.

    Alkine bonds and allenic structures in carotenoids cause no changes in the absorption spectrum in the visible region and very small changes in the IR-region. Therefore, the difference in Rf-values on thinlayer B plates, is a first important indication for these structures. Pigments with allenic structures can be identified by treatment with LiAlH4 and by transformation to the corresponding pigments with conjugated dien-structure.

    The alkinic bond (e.g. in the xanthophyll-epoxide diadinoxanthin) may be established by TiCl4-treatment.

  6. 6.

    Carotenoids are rearranged in the retro-form by the electrophilic reagent TiCl4. The action of TiCl4 upon different carotenoids has been examined.

Zusammenfassung

Es werden Methoden zur Isolierung, chromatographischen Trennung und Identifizierung von Carotinoiden beschrieben. Vor allem werden chemische Reaktionen aufgezeigt, welche einen Nachweis der Sauerstoffunktionen (Hydroxyl-, Epoxid- und Ketogruppen) am Carotinmolekül gestatten.

  1. 1.

    Mit Hilfe der sehr selektiven D\:unnschicht B wurde die Isolierung von bisher chromatographisch nicht trennbaren Carotinoiden einschlie\sBlich stereoisomerer Formen aus verschiedenen Algenklassen erm\:oglicht.

  2. 2.

    Die Methoden zum Nachweis von Hydroxylgruppen am Carotinmolek\:ul, wie Esterbildung, \:Atherbildung und Eliminierung, werden auf ihre Spezifit\:at, Nebenwirkungen und Anwendbarkeit im Mikroma\sBstab untersucht.

    Der Nachweis von allylständigen sekundären OH-Gruppen durch ihre Eliminierung in HCl-haltigen inerten Lösungsmitteln ist bei Vorliegen von tertiären Hydroxylgruppen nicht spezifisch. Auch wird der Nachweis von solchen allylständigen sek. OH-Gruppen durch Verätherung in HCl-haltigen Alkoholen erschwert, da hierbei tertiäre Hydroxyle eliminiert werden und furanoide Umlagerungen von Epoxidgruppen stattfinden. — Ein einwandfreier Nachweis von allylständigen sek. OH-Gruppen ist jedoch durch ihre Oxydation zu Ketogruppen mit Hilfe der Meerwein-Ponndorf-Verley-Oppenauer-Reaktion möglich.

  3. 3.

    Zur Strukturaufkl\:arung der Carotinoid-5,6-Epoxide wird die Reduktion zum entsprechenden 5,6-Olefin ben\:utzt. F\:ur diese Deepoxydierung werden eine f\:ur geringe Substanzmengen modifizierte chemische Reduktionsmethode und eine enzymatische Umsetzung angegeben.

  4. 4.

    Die Bestimmung der Zahl und Stellung von Ketogruppen kann durch die ver\:anderten Eigenschaften (z. B. im Absorptionsspektrum und im Rf-Wert) des Carotinoidmolek\:uls nach der Reduktion dieser Gruppen zu Hydroxylgruppen erfolgen.

  5. 5.

    Da Alkinbindungen und Allenstrukturen in Carotinoidmolek\:ulen keine Ver\:anderungen des Absorptionsspektrums im sichtbaren Bereich und nur sehr geringe im IR-Bereich verursachen, ist der auf der D\:unnschicht B erkennbare Rf-Wert-Unterschied ein erster wichtiger Hinweis.

    Pigmente mit Allenstrukturen können überdies durch LiAlH4-Behandlung in die entsprechenden Pigmente mit konjugierter Dienstruktur umgelagert und so identifiziert werden. Die Alkinbindung (z. B. bei dem Xanthophyll-Epoxid Diadinoxanthin) kann durch TiCl4-Behandlung nachgewiesen werden.

  6. 6.

    Durch das elektrophile Reagens TiCl4 werden Carotinoide in die Retro-Form umgelagert. Die Wirkung von TiCl4 auf verschiedene Carotinoide wird untersucht.

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Authors and Affiliations

  1. Botanisches Institut der Universität München, München, Deutschland

    A. Hager & H. Stransky

Authors
  1. A. Hager
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  2. H. Stransky
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Herrn Professor Dr. O. Kandler zum 50. Geburtstag gewidmet.

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Hager, A., Stransky, H. Das Carotinoidmuster und die Verbreitung des lichtinduzierten Xanthophyllcyclus in verschiedenen Algenklassen. Archiv. Mikrobiol. 71, 132–163 (1970). https://doi.org/10.1007/BF00417739

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