Нефотохимическое тушение ( NPQ ) — это механизм, используемый растениями и водорослями для защиты от неблагоприятного воздействия высокой интенсивности света. Он включает в себя гашение синглетного возбужденного состояния хлорофиллов (Хл) посредством усиленного внутреннего преобразования в основное состояние (безызлучательный распад), таким образом безвредно рассеивая избыточную энергию возбуждения в виде тепла за счет молекулярных колебаний. NPQ встречается почти у всех фотосинтезирующих эукариот (водорослей и растений) и помогает регулировать и защищать фотосинтез в средах, где поглощение энергии света превышает способность использования света в фотосинтезе . [1]
Когда молекула хлорофилла поглощает свет, она переходит из основного состояния в первое синглетное возбужденное состояние. Возбужденное состояние имеет три основные судьбы. Либо энергия есть; 1. передается другой молекуле хлорофилла путем резонансной передачи энергии Фёрстера (таким образом возбуждение постепенно передается фотохимическим реакционным центрам ( фотосистеме I и фотосистеме II ), где энергия используется в фотосинтезе (так называемое фотохимическое тушение)); или 2. возбужденное состояние может вернуться в основное состояние путем выделения энергии в виде тепла (так называемое нефотохимическое тушение); или 3. возбужденное состояние может вернуться в основное состояние путем испускания фотона ( флуоресценция ).
У высших растений поглощение света продолжает увеличиваться по мере увеличения интенсивности света, при этом способность к фотосинтезу имеет тенденцию к насыщению. Следовательно, существует вероятность поглощения избыточной световой энергии фотосинтетическими светособирающими системами. Эта избыточная энергия возбуждения приводит к увеличению времени жизни синглетно-возбужденного хлорофилла , увеличивая вероятность образования долгоживущих триплетных состояний хлорофилла путем межсистемного скрещивания . Триплетный хлорофилл является мощным фотосенсибилизатором молекулярного кислорода, образующего синглетный кислород , который может вызывать окислительное повреждение пигментов, липидов и белков фотосинтетической мембраны тилакоидов . Чтобы противостоять этой проблеме, одним из фотозащитных механизмов является так называемое нефотохимическое тушение (NPQ), которое основано на преобразовании и рассеивании избыточной энергии возбуждения в тепло. NPQ включает конформационные изменения в светособирающих белках фотосистемы (PS) II, которые приводят к изменению взаимодействия пигментов, вызывая образование энергетических ловушек. Конформационные изменения стимулируются сочетанием трансмембранного протонного градиента, субъединицы S фотосистемы II ( PsBs ) и ферментативного превращения каротиноида виолаксантина в зеаксантин ( цикл ксантофилла ).
Виолаксантин представляет собой каротиноид, расположенный ниже хлорофилла а и b в антенне ФС II и ближайший к специальному хлорофиллу а , расположенному в реакционном центре антенны. По мере увеличения интенсивности света происходит закисление просвета тилакоидов за счет стимуляции карбоангидразы, которая, в свою очередь, превращает бикарбонат (HCO 3 ) в углекислый газ, вызывая приток CO 2 и ингибируя активность оксигеназы Рубиско. [4] Это подкисление также приводит к протонированию субъединицы PsBs PS II, которая катализирует превращение виолаксантина в зеаксантин, и участвует в изменении ориентации фотосистем во время высокого поглощения света, чтобы уменьшить количество образующегося углекислого газа. и начинают нефотохимическое тушение наряду с активацией фермента виолаксантиндеэпоксидазы, который удаляет эпоксид и образует алкен на шестичленном кольце виолаксантина, приводя к образованию другого каротиноида, известного как антераксантин. Виолаксантин содержит два эпоксида, каждый из которых связан с шестичленным кольцом, и когда оба удаляются деэпоксидазой, образуется каротиноид зеаксантин. Только виолаксантин способен переносить фотон к особому хлорофиллу а. Антераксантин и зеаксантин рассеивают энергию фотона в виде тепла, сохраняя целостность фотосистемы II. Это рассеивание энергии в виде тепла является одной из форм нефотохимического тушения. [5]
Нефотохимическое тушение измеряется путем тушения флуоресценции хлорофилла и отличается от фотохимического тушения применением яркого светового импульса под актиничным светом для временного насыщения реакционного центра фотосистемы II и сравнения максимального выхода флуоресцентного излучения в адаптированном к свету и темноте состоянии. На нефотохимическое тушение не влияет короткий световой импульс. Во время этого импульса флуоресценция достигает уровня, достигнутого при отсутствии какого-либо фотохимического тушения, известного как максимальная флуоресценция .
Для дальнейшего обсуждения см. Измерение флуоресценции хлорофилла и Измерение стресса растений .
Флуоресценцию хлорофилла можно легко измерить с помощью флуориметра хлорофилла. Некоторые флуорометры могут рассчитывать NPQ и коэффициенты фотохимического тушения (включая qP, qN, qE и NPQ), а также параметры адаптации к свету и темноте (включая Fo, Fm и Fv/Fm).
