Hartowanie niefotochemiczne
Niefotochemiczne wygaszanie ( NPQ ) to mechanizm stosowany przez rośliny i glony w celu ochrony przed niekorzystnymi skutkami wysokiego natężenia światła. Obejmuje wygaszanie chlorofili (Chl) w stanie wzbudzonym singletem poprzez wzmocnioną wewnętrzną konwersję do stanu podstawowego (rozpad niepromienisty), a tym samym nieszkodliwe rozpraszanie nadmiaru energii wzbudzenia w postaci ciepła poprzez wibracje molekularne. NPQ występuje u prawie wszystkich fotosyntetyzujących eukariontów (alg i roślin) i pomaga regulować i chronić fotosyntezę w środowiskach, w których absorpcja energii świetlnej przekracza zdolność wykorzystania światła w fotosyntezie .
Proces
Kiedy cząsteczka chlorofilu absorbuje światło, przechodzi ze stanu podstawowego do pierwszego stanu wzbudzonego singletem. Stan wzbudzony ma wtedy trzy główne losy. Albo energia jest; 1. przekazywane innej cząsteczce chlorofilu przez rezonansowy transfer energii Förstera (w ten sposób pobudzenie jest stopniowo przekazywane do centrów reakcji fotochemicznych ( fotosystem I i fotosystem II ) gdzie energia jest wykorzystywana w fotosyntezie (tzw. wygaszanie fotochemiczne)); lub 2. stan wzbudzony może powrócić do stanu podstawowego, emitując energię w postaci ciepła (tzw. wygaszanie niefotochemiczne); lub 3. stan wzbudzony może powrócić do stanu podstawowego poprzez emisję fotonu ( fluorescencja ).
W wyższych roślinach absorpcja światła wzrasta wraz ze wzrostem natężenia światła, podczas gdy zdolność fotosyntezy ma tendencję do nasycenia. Dlatego istnieje możliwość absorpcji nadmiaru energii świetlnej przez fotosyntetyczne zbierania światła . Ta nadwyżka energii wzbudzenia prowadzi do wydłużenia czasu życia chlorofilu wzbudzonego singletem , zwiększając szanse na utworzenie długotrwałych stanów trypletowych chlorofilu przez krzyżowanie międzysystemowe . Chlorofil trypletowy jest silnym fotouczulaczem tlenu cząsteczkowego, tworząc tlen singletowy które mogą powodować uszkodzenia oksydacyjne pigmentów, lipidów i białek fotosyntetycznej błony tylakoidów . Aby przeciwdziałać temu problemowi, jednym z mechanizmów fotoochronnych jest tak zwane hartowanie niefotochemiczne (NPQ), które polega na konwersji i rozpraszaniu nadmiaru energii wzbudzenia w ciepło. NPQ obejmuje zmiany konformacyjne w białkach zbierających światło fotosystemu (PS) II, które powodują zmianę interakcji pigmentów, powodując tworzenie pułapek energetycznych. Zmiany konformacyjne są stymulowane przez połączenie transbłonowego gradientu protonów, podjednostki S fotosystemu II ( PsBs ) oraz enzymatyczne przekształcenie karotenoidu wiolaksantyny w zeaksantynę ( cykl ksantofilowy ).
Wiolaksantyna jest karotenoidem poniżej chlorofilu aib w obrębie anteny PS II i najbliżej specjalnego chlorofilu a znajdującego się w centrum reakcji anteny. Wraz ze wzrostem natężenia światła następuje zakwaszenie światła tylakoidów poprzez stymulację anhydrazy węglanowej, która z kolei przekształca wodorowęglany (HCO 3 ) w dwutlenek węgla powodując napływ CO 2 i hamując aktywność oksygenazy Rubisco. To zakwaszenie prowadzi również do protonowania podjednostki PsBs PS II, która katalizuje konwersję wiolaksantyny do zeaksantyny i bierze udział w zmianie orientacji fotosystemów w okresach wysokiej absorpcji światła w celu zmniejszenia ilości wytwarzanego dwutlenku węgla i rozpoczęcia niefotochemiczne wygaszanie, wraz z aktywacją enzymu de-epoksydazy wiolaksantyny, który eliminuje epoksyd i tworzy alken na sześcioczłonowym pierścieniu wiolaksantyny, dając początek innemu karotenoidowi znanemu jako anteraaksantyna. Wiolaksantyna zawiera dwa epoksydy, z których każdy jest związany z sześcioczłonowym pierścieniem, a gdy oba są eliminowane przez de-epoksydazę, powstaje karotenoid zeaksantyna. Tylko wiolaksantyna jest w stanie przenieść foton do specjalnego chlorofilu A. Anteraaksantyna i zeaksantyna rozpraszają energię fotonu w postaci ciepła, zachowując integralność fotosystemu II. To rozpraszanie energii w postaci ciepła jest jedną z form niefotochemicznego hartowania.
Pomiar NPQ
Wygaszanie niefotochemiczne jest mierzone przez wygaszanie fluorescencji chlorofilu i różni się od wygaszania fotochemicznego przez zastosowanie jasnego impulsu światła w świetle aktynicznym w celu przejściowego nasycenia centrum reakcji fotosystemu II i porównanie maksymalnej wydajności emisji fluorescencji w stanie dostosowanym do światła i ciemności. Nie ma to wpływu na hartowanie niefotochemiczne, jeśli impuls światła jest krótki. osiągnięty przy braku wygaszania fotochemicznego, znany jako maksymalna .
Dalsze omówienie można znaleźć w części Pomiar fluorescencji chlorofilu i Pomiar stresu roślin .
Fluorescencję chlorofilu można łatwo zmierzyć za pomocą fluorometru chlorofilowego. Niektóre fluorometry mogą obliczać NPQ i współczynniki wygaszania fotochemicznego (w tym qP, qN, qE i NPQ), a także parametry adaptacji do światła i ciemności (w tym Fo, Fm i Fv/Fm).