Nichtlinearität und anthocyaninfarbexpression: Eine mathematische Analyse der Assoziationskinetik und -gleichgewichte von Anthocyaninen

Anthocyane sind polyphenolische Verbindungen, die Pflanzenfarben bereitstellen, wie es sich in pH-abhängigen strukturellen Transformationen zwischen dem roten Flavylium-Kation, der violetten quinonoidalen Base, dem blauen quinonoidalen Anion, dem farblosen Hemiketal und den blassgelben Chalcone-Spezies widerspiegelt. Thermodynamisch stabile Bedingungen von hydratisierten Pflanzenzellvakuolen in vivo entsprechen dem farblosen Hemiketal, dennoch erscheint die Anthocyaninfarbexpression in einer wichtigen Vielzahl von Farben innerhalb von Pflanzenorganen wie Blumen und Früchten. Darüber hinaus spielt die Anthocyaninfarbe von Trauben in der Rotweinproduktion eine bedeutende Rolle, da sie entscheidend für die Bestimmung der Qualität von Rotwein ist. Hier wurden nichtlineare gewöhnliche Differentialgleichungen entwickelt, um die Entwicklung der Konzentration verschiedener Anthocyaninarten sowohl in monomerer (chemisch reaktiver) als auch in selbstassoziierter (zeitlich stabiler) Form erstmals darzustellen, und Simulationen wurden experimentell überprüft. Die Ergebnisse zeigten, dass unter hydratisierenden Bedingungen die Anthocyaninpigmentierung durch Selbstassoziationsinteraktionen erhalten bleibt, basierend darauf, dass pigmentierte monomerische Anthocyane Farbverlust erfahren, während farbstabile selbstassoziierte Anthocyane im Laufe der Zeit nichtlinear in der Konzentration zunehmen. Insbesondere wurde gezeigt, dass die Selbstassoziation des Flavylium-Kations und der quinonoidalen Base den Colour-Expression und die Stabilität innerhalb der Blütenblätter von Geranium sylvaticum und der Traubenschalen von Vitis vinifera beeinflusst. Diese Studie charakterisiert letztlich grundlegende Mechanismen der Stabilisierung von Anthocyaninen und generiert ein quantitatives Rahmenwerk für anthocyaninhaltige Systeme.