Xantofyllcykeln , eller violaxantincykeln , i fallet med högre växter, utför funktionen att skydda den fotosyntetiska apparaten från överskottsenergi under ökad solinstrålning. Det undviker fotoinhibering genom att kraftigt öka icke-fotokemisk härdning . Cykeln inkluderar enzymatiska omvandlingar mellan violaxanthin och zeaxanthin (mellanprodukten är anteroxanthin ) [1] .
Violaxantincykeln inträffar i de mindre underenheterna av ljusskördande komplexet i fotosystem II (proteinerna CP29, CP26, CP23, CP22, etc.). Vid hög ljusintensitet, på grund av det aktiva arbetet med ETC för fotosyntes, uppstår försurning av tylakoidlumen . När pH sjunker till 5,0 aktiveras enzymet deepoxidas, som på den lumenala sidan av membranet utför reduktionen av epoxigrupperna i violoxantin med askorbinsyra som reduktionsmedel . Dubbelreduktion leder till bildandet av zeaxantin, som utför en fotoskyddande funktion. Med en minskning av belysningsintensiteten börjar den omvända reaktionen katalyserad av epoxidas, belägen på den stromala sidan av membranet med ett optimalt pH på 7,5, att dominera. Införandet av epoxigrupper kräver molekylärt syre och ett reduktionsmedel ( NADPH ). Som ett resultat bildas violaxantin, som kan fungera som ett ljusskördande pigment [2] .
Den xantofylliska cykeln hos högre växter och alger spelar en viktig roll i regleringen av omfördelningen av ljusenergi mellan violaxantin , zeaxantin och klorofyll a . Rollen som en fotoskyddare i cykeln utförs av zeaxantin, som innehåller ett konjugerat system med 11 dubbelbindningar (violoxantin har endast 9 konjugerade bindningar). En ökning av konjugationen leder till en minskning av energin hos den första singlet- exciterade nivån av pigmentet. Violoxantin kännetecknas av absorption vid 657 nm och zeaxantin vid 704 nm (klorofyllabsorption vid 680 nm). Eftersom energin för det exciterade tillståndet av zeaxantin är lägre än energin i det exciterade tillståndet av klorofyll a, är direkt singlett-singlet-energiöverföring från exciterat klorofyll (S 1 ) till zeaxantin möjlig. Absorptionen av överskott av klorofyll excitatorisk energi av zeaxantin skyddar fotosyntesapparaten. Å andra sidan är energin i det exciterade S 1 -tillståndet hos violoxantinmolekylen högre än för klorofyll a, och därför kan violoxantin bli en energigivare för klorofyll. Som ett resultat spelar violoxantin rollen som en antenn som samlar fotoner och överför dem till klorofyll.
Sålunda, vid svagt ljus fungerar xantofyller främst som ljusskördande pigment, medan de vid högt ljus hjälper till att skingra överskottsenergi och skyddar växten från fotoinhibering. Samma mekanism hjälper till att förbereda växten för förändringen av dag och natt.
Långa karotenoidmolekyler med ett stort antal konjugerade bindningar är särskilt effektiva för att omvandla excitationsenergi till termisk energi genom intern omvandling . På grund av det stora antalet konjugerade dubbelbindningar, som kan ändra sin längd ganska avsevärt, utför karotenoidmolekyler konstanta svängningar av sammandragning och dekompression som ett dragspel. Detta beteende säkerställer en snabb avledning av energi till värme . Samma egenskap tillåter xantofyller och karotenoider att effektivt släcka aktiva singlettformer av syre och exciterad triplettklorofyll [3] .
Dessutom leder konformationsförändringar i violoxantinmolekylen som inträffar under djupoxidation till det faktum att zeaxantin lättare bildar aggregat. Bildandet av zeaxantinaggregat i CCK II mindre proteiner leder till blockering av energimigrering från externa CCK II-antenner till PSII- reaktionscentret och termisk avledning av excitationsenergi. Det är känt att under starkt solljus försvinner växter i form av värme från 50 till 70% av energin hos absorberade kvanta . Därför är det den termiska avledningen av energi som spelar en nyckelroll för att skydda fotosyntesapparaten (man tror att bidraget från Mehler-reaktionen och fotorespirationen är mycket mindre) [4] .
När man studerade spenat fann man att under starkt ljus översteg ökningen av koncentrationen av zeaxantin minskningen av koncentrationen av violoxantin. Det är möjligt att sådana förhållanden uppmuntrar växter att mer aktivt syntetisera zeaxantin från β-karoten [5] .
Zeaxanthin spelar också en viktig strukturell roll i tylakoidmembran. Under ökad belysning fördelas xantofyller mellan ljusupptagande komplex och lipiddubbelskiktet . Eftersom zeaxantin har två hydrofila -OH-grupper sitter det tvärs över dubbelskiktet och ökar därmed membranets viskositet. En ökning av membranviskositeten på grund av zeaxantin och vissa terpenoider ( α-tokoferol ) minskar dess permeabilitet för syre och skyddar lipider från peroxidation av dess aktiva former [6] .
I kiselalger och dinoflagellater består det xantofylla kretsloppet av pigmentet diadinoxanthin , som under förhållanden av överdrivet ljus omvandlas till diatoxantin i kiselalger eller dinoxantin i dinoflagellater [7] .
I vissa högre växter (till exempel från släktet Inga [8] ) hittades förutom violaxantincykeln ytterligare en luteal cykel. Under denna cykel sker den reversibla omvandlingen av lutein-5,6-epoxid till lutein i starkt ljus , vilket också verkar bidra till skyddet av fotosyntesapparaten [9] [10] . Denna cykel finns i vissa taxonomiskt avlägsna grupper, men den är konservativ och bevaras inom familjen och släktet.