Ciclul xantofilei sau ciclul violaxantinei , în cazul plantelor superioare, îndeplinește funcția de a proteja aparatul fotosintetic de excesul de energie în timpul insolației crescute. Evită fotoinhibarea prin creșterea semnificativă a stingerii non-fotochimice . Ciclul include interconversii enzimatice între violaxantina și zeaxantina (produsul intermediar este anteroxantina ) [1] .
Ciclul violaxantinei are loc în subunitățile minore ale complexului de recoltare a luminii al fotosistemului II (proteine CP29, CP26, CP23, CP22 etc.). La intensitate mare a luminii, datorită activității active a ETC de fotosinteză, are loc acidificarea lumenului tilacoidului . Când pH-ul scade la 5,0, se activează enzima deepoxidaza, care, pe partea lumenală a membranei, efectuează reducerea grupărilor epoxidice ale violoxantinei, folosind acid ascorbic ca agent reducător . Reducerea dublă duce la formarea zeaxantinei, care îndeplinește o funcție fotoprotectoare. Odată cu scăderea intensității iluminării, începe să predomine reacția inversă catalizată de epoxidază, situată pe partea stromală a membranei cu un pH optim de 7,5. Introducerea grupărilor epoxidice necesită oxigen molecular și un agent reducător ( NADPH ). Ca urmare, se formează violaxantina, care poate acționa ca un pigment de captare a luminii [2] .
Ciclul xantofilic al plantelor superioare și al algelor joacă un rol important în reglarea redistribuirii energiei luminoase între violaxantina , zeaxantina și clorofila a . Rolul de fotoprotector în ciclu este îndeplinit de zeaxantina, care conține un sistem conjugat de 11 duble legături (violoxantina are doar 9 legături conjugate). O creștere a conjugării duce la o scădere a energiei primului nivel excitat al pigmentului. Violoxantina se caracterizează prin absorbție la 657 nm, iar zeaxantina la 704 nm (absorbția clorofilei la 680 nm). Astfel, deoarece energia stării excitate a zeaxantinei este mai mică decât energia stării excitate a clorofilei a, este posibil transferul direct de energie singlet-singlet de la clorofila excitată (S1 ) la zeaxantina. Absorbția excesului de energie excitatoare a clorofilei de către zeaxantina protejează aparatul fotosintetic. Pe de altă parte, energia stării excitate S 1 a moleculei de violoxantina este mai mare decât cea a clorofilei a și, prin urmare, violoxantina poate deveni un donator de energie pentru clorofilă. Drept urmare, violoxantina joacă rolul unei antene care colectează fotonii și îi transferă în clorofilă.
Astfel, la lumină scăzută, xantofilele acționează predominant ca pigmenți de captare a luminii, în timp ce la lumină ridicată ajută la disiparea excesului de energie și protejează planta de fotoinhibiție. Același mecanism ajută la pregătirea plantei pentru schimbarea zilei și a nopții.
Moleculele lungi de carotenoide cu un număr mare de legături conjugate sunt deosebit de eficiente în transformarea energiei de excitație în energie termică prin conversie internă . Datorită numărului mare de duble legături conjugate, care își pot modifica lungimea destul de semnificativ, moleculele de carotenoide efectuează oscilații constante de contracție și decompresie ca un acordeon. Acest comportament asigură disiparea rapidă a energiei în căldură . Aceeași proprietate permite xantofilelor și carotenoidelor să stingă în mod eficient formele active , singlete de oxigen și clorofilei excitate, triplete [3] .
În plus, modificările conformaționale ale moleculei de violoxantina care apar în timpul deepoxidării duc la faptul că zeaxantina formează mai ușor agregate. Formarea agregatelor de zeaxantină în proteinele minore CCK II duce la blocarea migrării energiei de la antenele externe CCK II la centrul de reacție PSII și la disiparea termică a energiei de excitație. Se știe că, sub lumina puternică a soarelui, plantele se disipează sub formă de căldură de la 50 la 70% din energia cuantelor absorbite . Prin urmare, disiparea termică a energiei este cea care joacă un rol cheie în protejarea aparatului fotosintetic (se crede că contribuția reacției Mehler și a fotorespirației este mult mai mică) [4] .
La studierea spanacului, s-a constatat că, sub lumină puternică, creșterea concentrației de zeaxantina a depășit scăderea concentrației de violoxantina. Este posibil ca astfel de condiții să încurajeze plantele să sintetizeze mai activ zeaxantina din β-caroten [5] .
Zeaxantina joacă, de asemenea, un rol structural important în membranele tilacoide. În condiții de iluminare crescută, xantofilele sunt distribuite între complexele de captare a luminii și stratul dublu lipidic . Deoarece zeaxantina are două grupări hidrofile -OH, se află peste stratul dublu, crescând astfel vâscozitatea membranei. O creștere a vâscozității membranei datorită zeaxantinei și a unor terpenoide ( α-tocoferol ) reduce permeabilitatea acesteia la oxigen și protejează lipidele de peroxidare prin formele sale active [6] .
La diatomee și dinoflagelate , ciclul xantofilic este format din pigmentul diadinoxantină , care, în condiții de lumină excesivă, este transformată în diatoxantină în diatomee sau dinoxantină în dinoflagelate [7] .
La unele plante superioare (de exemplu, din genul Inga [8] ), pe lângă ciclul violaxantinei, s-a găsit un ciclu luteal suplimentar. În timpul acestui ciclu, conversia reversibilă a lutein-5,6-epoxidului în luteină are loc în lumină puternică , ceea ce pare să contribuie și la protecția aparatului fotosintetic [9] [10] . Acest ciclu se găsește în unele grupuri taxonomic îndepărtate, dar este conservator și se păstrează în familie și gen.