3.3.4.3. Защитная функция каротиноидов.

Каротиноиды в антенном комплексе и в реакционном центре выполняют уникальную «защитную» функцию, которая осуществляется с участием Т₁-состояний и связана с тушением возбужденных триплетных состояний хлорофилла и синглетного кислорода (¹О₂). Механизм фотоповреждения фотосинтетического аппарата в случае оксигенного фотосинтеза обусловлен фотодеструктивным действием активных форм кислорода, главным образом - синглетного кислорода ¹О₂, образующегося при взаимодействии основной формы кислорода в атмосфере ³О₂ с триплетно-возбужденным пигментом-сенсибилизатором (хлорофилл, бактериохлорофилл и др.) (рис. 3.21). Образующийся синглетный кислород является сильным окислителем и вызывает фотоокисление окружающих структур. Особенно активно эти процессы протекают в реакционных центрах, где образование ³Хл-ла происходит в результате возможного возврата богатого энергией электрона от первичного акцептора к пигментам реакционного центра П680 или П700. Каротиноиды, содержащие 9 и более двойных связей могут эффективно тушить триплетное состояние хлорофилла и образовавшийся синглетный кислород. Механизм защитного действия β-каротина в реакционном центре включает перенос энергии от ³Хл-ла или ¹О₂ к β-каротину и диссипацию энергии образующегося ³Кар через процесс нерадиационной релаксации в тепло с переходом β-каротина в состояние S₀. Каротиноиды способны также путем переноса электрона модифицировать структуру радикальных соединений и тушить свободные радикалы, возникающие при освещении.

3.3.4.4. Фотопротекторная функция каротиноидов.

Фотопротекторная функция каротиноидов состоит в защите фотосинтетического аппарата от накопления излишка энергии возбуждения при высокой интенсивности света. Эта функция связана с каротиноидами, образующими так называемый «ксантофилловый цикл».

У высших растений и зеленых водорослей ксантофилловый цикл включает энзиматическое превращение виолаксантина в зеаксантин через интермедиат антераксантин (рис. 3.22). Процесс катализируется ферментом дезэпоксидазой, требует участия аскорбата и кислых условий рН (оптимум действия фермента рН=5,0). Такие условия рН создаются в люмене при освещении хлоропластов. В темноте протекает обратная реакция превращения зеаксантина в виолаксантин, которая катализируется эпоксидазой. Реакция эпоксидации осуществляется на внешней стороне мембраны при участии НАДФН и требует присутствия кислорода. Один из атомов молекулы кислорода включается в зеаксантин, другой атом в присутствии НАДФН образует Н₂О. Повторная реакция со второй молекулой О₂ приводит в образованию виолаксантина.

Главная функция в защите фотосинтетического аппарата от повреждений высокой интенсивностью света принадлежит зеаксантину. Известно несколько возможных путей протекторного действия зеаксантина.

В настоящее время установлено, что защитная функция каротиноидов может быть реализована путем синглет-синглетного переноса энергии от возбужденного хлорофилла (S₁^*) к молекуле зеаксантина (Франк и др., 1994, 2000). Увеличение числа двойных сопряженных связей при образовании зеаксантина (11 двойных связей) из виолаксантина (9 двойных связей) приводит к изменению уровней энергии первых синглетных возбужденных состояний пигментов: у виолаксантина – 15200 см^-1 (энергия выражена в волновых числах), у зеаксантина – 14200 см^-1 и у хлорофилла – 14700 см^-1. (рис. 3.23). Тот факт, что энергия S₁ состояний виолаксантина лежит выше энергии хлорофилла а, в то время, как энергия зеаксантина лежит ниже энергии S₁ состояния хлорофилла а, позволяет предположить прямое энергетическое взаимодействие виолаксантина и зеаксантина с хлорофиллом, в результате чего ксантофилловый цикл высших растений и водорослей может играть важную роль в регуляции распределения энергии между виолаксантином, зеаксантином и хлорофиллом а. Ксантофилловый цикл может быть активным регулятором светового потока в пигмент-белковых комплексах. При низком освещении каротиноиды действуют преимущественно как свет-собирающие пигменты, перенося энергию к хлорофиллу. При высокой интенсивности света происходит дезэпоксидация виолаксантина и система переносит энергию от S₁ хлорофилла к зеаксантину с более низко лежащим уровнем S₁. Таким образом, образование зеаксантина снижает избыточное поглощение световой энергии антенным хлорофиллом и защищает систему от фотоингибирования.

Увеличение числа двойных связей от 9 до 11-ти изменяет не только энергию возбужденного состояния ксантофиллов, но и влияет также на конформацию молекулы (кольцо-цепь) от перпендикулярной структуры у виолаксантина до планарной конформации у зеаксантина. Эти конформационные изменения могут контролировать способность каротиноидов образовывать агрегаты. Показано, что молекулы зеаксантина более легко образуют агрегаты, чем виолаксантин. Поскольку виолаксантиновый цикл находится в минорных субъединицах ССК ФСII, которые служат каналами для стока энергии от внешнего ССКII к реакционному центру, то высокая концентрация в них зеаксантина и способность его к агрегации может нарушить макроструктуру пигмент-белковых ССК и блокировать поток энергии электронного возбуждения к реакционному центру ФСII. Отмечено, что с одновременным превращением виолаксантина в зеаксантин происходило заметное увеличение эмиссии тепла, что, возможно, является результатом изменения конформационного состояния или агрегации хлорофилл-связывающего комплекса и ускорениемперехода возбужденного хлорофилла в основное состояние. Это позволяет предполагать, что важнейшей фотопротекторной функцией зеаксантина является увеличение термальной диссипации энергии в условиях светового стресса. Связанный с зеаксантином процесс термальной диссипации энергии является уникальным и очень важным фотопротекторным действием, так как в ССК зеаксантин осуществляет превращение избытка поглощенной энергии в тепло еще до переноса энергии возбуждения в реакционный центр, что защищает фотохимическую систему хлоропластов от необратимого повреждения, связанного с притоком огромного количества энергии в реакционный центр, которая не может быть использована в фотохимических реакциях.

В последние годы установлено, что каротиноиды хлоропластов могут выполнять важную структурную роль. При освещении светом высокой интенсивности ксантофиллы распределяются между ССК и липидной фазой мембран. Молекула зеаксантина ориентируется в липидном слое перпендикулярно к поверхности мембраны. Присутствие двух полярных гидроксильных групп на кольцах молекулы позволяет зеаксантину закрепляться на обеих сторонах мембраны, соединяя два липидных слоя. Благодаря этому при взаимодействии зеаксантина с липидами снижается свойство высокой текучести, характерное для тилакоидных мембран, и увеличивается вязкость мембран, что уменьшает их чувствительность к переокислению активными формами кислорода. Повышение вязкости мембраны и уменьшение ее проницаемости по отношению к молекулярному кислороду при действии ксантофиллов и некоторых терпеноидов (α-токоферол) стабилизирует и защищает липидную фазу тилакоидных мембран от фотодеструкции.

Следует отметить еще одну возможность проявления защитной функции каротиноидов. Барбер и др. (1993) обнаружили, что в условиях, когда реакции окисления воды блокированы, β-каротин может выступать в роли редокс-активного защитного агента. В реакцинном центре ФСII β-каротин может подвергаться свет-индуцированным редокс-реакциям с образованием катион-радикала (Кар⁺) с поглощением при 950 нм. В данном случае β-каротин в реакционном центре II действует как альтернативный электронный донор к П680.

Кар + П680⁺ → Кар⁺ + П680

Эта функция β-каротина связана с защитой реакционного центра от фотоповреждений, которые могут быть при фотонакоплении П680⁺, имеющего высокий окислительный потенциал (выше 1,1 В), в результате чего может происходит деградация пигментов и белка Д1. В этих усло­виях β-каротин восстанавливает П680⁺ и защищает реакционный центр от повреждения. Восстановление Кар⁺ возможно через цитохром в₅₅₉.