This work has been digitalized and published in 2013 by Verlag Zeitschrift für Naturforschung in cooperation with the Max Planck Society for the Advancement of Science under a Creative Commons Attribution4.0 International License.

Dieses Werk wurde im Jahr 2013 vom Verlag Zeitschrift für Naturforschungin Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung derWissenschaften e.V. digitalisiert und unter folgender Lizenz veröffentlicht:Creative Commons Namensnennung 4.0 Lizenz.

Sekundärcarotinoide in der Grünalge Sphaeroplea H A N S K L E I N I G +

Botanisches Institut der Universität Heidelberg

( Z . Natur f o r s chg . 22 b , 9 7 7 — 9 7 9 [ 1 9 6 7 ] ; e i n g e g a n g e n a m 16. M ä r z 1967) if-y^Ti, ~

The secondary carotenoids of the zygospores of the green alga Sphaeroplea cambrica have been investigated. The zygospores contain 3-hydroxy-4-oxo-/?-carotene (hydroxyechinenone), 3,3'-dihy-droxy-4-oxo-^-carotene (adonixanthin), 3-hydroxy-4,4'-dioxo-/?-carotene (adonirubin) and 3,3'-di-hydroxy-4,4'-dioxo-/?-carotene (astaxanthin) esterified with myristic, lauric and caprinic acid and 4-oxo-/?-carotene (echinenone) and 4,4'-dioxo-/?-carotene (canthaxanthin).

Die Gattung Spheroplea wird im Algensystem zu den Ulotrichales gestellt. Sie ist gekennzeichnet durch mehrkernige Zellen und Oogamie. Es ist be-kannt, daß sich diese Alge, die oft in Massen auf-tritt, manchmal rot anfärbt. Auch einige andere Grünalgen nehmen unter bestimmten Bedingungen wie Nährsalzmangel saures Nährmedium2 oder starker Beleuchtung3 eine rote Farbe an. Als Farb-stoffe wurden die Carotinoide Astaxanthin 4, Echine-non 5 , Canthaxanthin6, Hydroxyechinenon, Adoni-xanthin und Adonirubin7 in den Algen gefunden. Soweit diese Pigmente Hydroxylgruppen besitzen, sind sie mit höheren Fettsäuren verestert. Diese Carotinoide unterscheiden sich sowohl in ihrer Struktur als auch in ihrer Bildungsweise von den übrigen in den Algen normalerweise vorhandenen Carotinoiden (a-Carotin, /^-Carotin, Zeaxanthin, Lutein, Antheraxanthin, Luteinepoxid, Viola-xanthin, Neoxanthin) und werden als Sekundär-carotinoide bezeichnet. Sekundärcarotinoide wur-den bisher in Haematococcus 4, Chlorella, Scenedes-mus, Ankistrodesmus, Hydrodictyon ^ 2' 8, Acetabu-laria3'7, Spongiochloris ^ u. a. nachgewiesen. In Trentepohlia kann /^-Carotin als Sekundärpigment auftreten 9.

1952 wurde auf der Schwäbischen Alb ein rotes Geflecht von Sphaeroplea cambrica Fritsch gefun-den10 , die auf Grund der sehr stark strukturierten * Anschrift: Botanisches Institut der Universität Freiburg,

Schänzlestraße. 1 G. D E R S C H , Flora [Jena] 1 4 9 , 5 6 6 [I960]. 2 E. K E S S L E R U . F. C . CZYGAN, Ber. dtsch. bot. Ges. 7 8 , 342

[1965]. 3 H. K L E I N I G , Ber. dtsch. bot. Ges. 79,126 [1966]. 4 J. T I S C H E R , Hoppe-Seyler's Z. physiol. Chem. 2 8 1 , 143

[1944]. 5 F. C . C Z Y G A N , Z. Naturforschg. 2 1 B , 197 [1966]. 6 F. C . C Z Y G A N , Experientia [Basel] 20, 573 [1964]. 7 H. K L E I N I G U. K . E G G E R , Phytochem. 6, 611 [1967].

Wand ihrer Zygosporen zu einer neuen Varietät Sphaeroplea cambrica FRITSCH var. crassisepta RIETH erhoben worden i s t n .

Untersucht wurde dieses Typusmaterial, das fast ausschließlich stark rot gefärbte Zygosporen in den Zellen enthielt *.

Untersuchungen und Ergebnisse

1. Die Farbstoffe: Es zeigte sich, daß auch hier rote z. T. veresterte Carotinoide vorlagen. Zur Iden tifizierung wurde das Material mit Aceton und Pe troläther extrahiert und über Kieselgel chromato graphiert. Die einzelnen Fraktionen wurden mi 10-proz. Natriumalkoholat verseift und nach An säuern mit Essigsäure in Petroläther überführt. Bei dieser Verseifung werden Hydroxylgruppen in a-Stellung zu Ketogruppen selbst zu Ketogruppen oxydiert. Ketogruppen wurden durch Reduktion mi NaBH4 in Äthanol, Hydroxylgruppen durch Acetylie rung mit Essigsäureanhydrid in Pyridin, allylstän dige Hydroxyle außerdem durch Äthylierung in 0,01 N äthanolischer HCl1 2 nachgewiesen. Als chro matographische Systeme dienten neben Kieselgel Dünnschichten mit Paraffinöl imprägnierte Cellu lose-Dünnschichten für die Carotinoidester und mi ungesättigten Triglyceriden imprägnierte Cellulose

8 E . K E S S L E R , W . L A N G N E R , J . L U D E W I G U . H . W I C H M A N N , S t u dies on Microalgae and Photosynthetic Bacteria 1963, 7

8 A R . M C L E A N , Physiol. Plant. 2 0 , 4 1 [ 1 9 6 7 ] . 9 F. C . C Z Y G A N U . K . K A L B , Z. Pflanzenphysiol. 5 5 , 5 9 [ 1 9 6 6 ]

1 0 T H . BUTTERFASS, Jh. Ver. vaterl. Naturk. Württ. 1 0 8 , 1 4 2 [ 1 9 5 3 ] .

11 A. R I E T H , Flora [Jena] 1 4 0 , 1 3 0 [ 1 9 5 3 ] . * Herr Doz. Dr. T H . BUTTERFASS, Max-Planck-Institut Rosen-

hof, Ladenburg, stellte das Material zur Verfügung, wofür ich ihm sehr danken möchte.

12 E. C . G R O B U . R. P . PFLUGSHAUPT, Helv. chim. Acta 4 5 , 1 5 9 2 [ 1 9 6 2 ] .

Dünnschichten für die freien Pigmente13 '14. Die Absorptionsspektren wurden mit einem registrieren-den Spektralphotometer ZEISS RPQ 20 aufgenom-men. Als Vergleichssubstanzen wurden die aus den Petalen von Adonis15 und aus Acetabularia7 be-kannten Hydroxyechinenon (3-Hydroxy-4-keto-/?-carotin), Adonixanthin (3.3'-Dihydroxy-4-keto-/?-carotin), Adonirubin (3-Hydroxy-4.4'-diketo-jö-carotin) und Astaxanthin (3.3'-Dihydroxy-4.4'-di-keto-/?-carotin) bzw. deren Oxydationsprodukte und authentisches Echinenon (4-Keto-^-carotin) und Canthaxanthin (4.4'-Diketo-/?-carotin) verwendet**.

Die Analysen ergaben, daß neben Astaxanthin-estern als Hauptkomponenten noch die Ester von drei weiteren Ketohydroxycarotinoiden Hydroxy-echinenon, Adonixanthin und Adonirubin und die reinen Ketocarotinoide Echinenon und Cantha-xanthin in Sphaeroplea enthalten sind. Chlorophylle und Primärcarotinoide waren in den Zygosporen nicht nachzuweisen. Die spektralen Daten und die prozentuale Verteilung sind aus der Tab. 1 zu ent-nehmen.

Pigment rel. Absorptions- Absorptions-Menge maxima der maxima der

[%] nativen reduzierten [%] Pigmente

in Äthanol Pigmente

Echinenon 2 466 448, 474 (4-Keto-/S-earotin)

Hydroxyechinenon 2 466 448, 474 (3-Hydroxy-4-keto-

carotin) Adonixanthin 21 465 448, 475

(3.3'-Dihydroxy-4-keto-ß-carotin)

Canthaxanthin 3 478 448, 475 (4.4'-Diketo-ß-carotin)

Adonirubin 4 478 448, 475 (3-Hydroxy-4.4'-dike to-ß-carotin)

Astaxanthin 68 478 448, 475 (3.3'-Dihydroxy-4.4'-

448, 475

diketo - ß-carotin)

Tab. 1. Spektrale Daten und prozentuale Verteilung (s.Text).

Adonixanthin:

1 3 K . E G G E R , Chromatogr. Sympos. II, 7 5 Brüssel 1 9 6 2 . 1 4 K . EGGER, Planta 58, 664 [1962]. 1 5 K . EGGER, Phytochem. 4 , 6 0 9 [ 1 9 6 5 ] .

2. Die Fettsäurekomponenten: Die hydroxylhalti-gen Carotinoide in Sphaeroplea sind mit höheren Fettsäuren verestert. Jede auf dem Adsorptions-chromatogramm einheitliche Fraktion spaltet auf dem Verteilungsdiromatogramm (imprägnierte Cel-lulosesdiicht) in Banden auf, die auf Veresterung mit mehreren Säuren weisen und für Sekundär-carotinoide typisch sind. Zur Bestimmung dieser Fettsäuren kann eine Veresterung der verseiften Pigmente mit Carbonsäurechloriden und anschlie-ßendem Vergleich auf dem Chromatogramm nicht durchgeführt werden, da die Pigmente nach der Ver-seifung in der Ketoform vorliegen. Eine direkte Analyse der freien Säuren kann durch begleitende Lipide verfälscht werden und ergibt keine exakte Zuordnung zu den einzelnen Pigmenten.

Die Petalen von Adonis annua enthalten ebenfalls Fettsäureester von Astaxanthin, Adonirubin, Adoni-xanthin und Hydroxyechinenon 15. Hier konnten die Säuren auf andere Weise identifiziert werden16 : an der Veresterung sind Palmitin-, Myristin-, Laurin-und Caprinsäure und eine ungesättigte Säure betei-ligt. Somit liegen definierte Vergleichssubstanzen vor. Der Vergleich der unbekannten Ester aus Sphaeroplea mit den bekannten Estern aus Adonis in verschiedenen chromatographischen Systemen zeigte, daß in den Carotinoidestern von Sphaeroplea die Myristinsäure Hauptkomponente, Laurin- und Caprinsäure Nebenkomponenten sind.

Diskussion

Einige Grünalgen (Haematococcus4, Chlorella, Ankistrodesmus, Scenedesmus, Hydrodictyon1> 2' 8

und Acetabularia 3' 7) bilden unter bestimmten Um-weltsbedingungen Sekundärcarotinoide. Meist wer-den dabei Chlorophylle und Primärcarotinoide ab-gebaut. Der Prozeß ist reversibel. Im allgemeinen ist Nährsalzmangel der auslösende Faktor1, aber auch ein niederer pn-Wert der Nährlösung bei Chlo-rella zofingiensis 2 und starke Beleuchtung bei Ace-tabularia 3 können zu dieser merkwürdigen Pigment-änderung führen. Vermutlich bewirken alle genann-ten auslösenden Faktoren die gleiche Umorientie-rung des Stoffwechsels in den betreffenden Algen. Über den Mechanismus dieses Vorganges selbst und über eine eventuelle Bedeutung lassen sich bisher

** Herrn Prof. Dr. W E E D O N , London, danke ich für die Über-lassung der beiden synthetischen Substanzen.

1 6 K . EGGER U. H. KLEINIG, Phytochem. 6, 437 [1967].

keine sicheren Aussagen machen. Die zahlreichen neu synthetisierten Carotinoide können auf einen Grundtyp zurückgeführt werden, der in fast allen möglichen Variationen erscheint: 3-Hydroxy-4-keto-/?-carotine, wobei mindestens eine Ketogruppe in Konjugation zum Doppelbindungssystem stehen muß. Die Hydroxyle sind mit verschiedenen höhe-ren Fettsäuren verestert. Aus der Tab. 1 wird er-sichtlich, daß eine letzte noch mögliche Variation, das 3'-Hydroxy-4-keto-/?-carotin, bisher nicht als Se-kundärcarotinoid gefunden worden ist. Dieses Pig-ment ist jedoch schon als Primärcarotinoid aus Cyanophyeen bekannt17. Die höchstoxydierte Form,

das Astaxanthin, ist in allen Sekundärcarotinoid-führenden Algen Hauptfarbstoff. Die übrigen Pig-mente können in den einzelnen Algen z. T. fehlen.

Die Sekundärcarotinoide von Sphaeroplea cam-brica fügen sich in dieses Schema ein. Bemerkens-wert ist die Vielzahl der Verbindungen und die hohe Konzentration an Adonixanthinestern.

Ein anderer Modus der Sekurdärcarotinoid-Bil-dung ist in Trentepohlia gefunden worden 9. In die-ser Alge kann /^-Carotin als Sekundärfarbstoff er-scheinen. Ketocarotinoide sind nicht vorhanden.

Die D e u t s c h e F o r s c h u n g s g e m e i n s c h a f t hat die Untersuchungen durch Sachmittel gefördert.

1 7 S . H E R T Z B E R G U. S . L I A A E N JENSEN, Phytochem. 5 , 5 5 7 [ 1 9 6 6 ] .