Fotoinhibația este o reducere indusă de lumină a activității fotosintetice a plantelor , algelor sau cianobacteriilor . Fotosistemul II (PSII) este mai sensibil la lumină decât alte mașini fotosintetice, motiv pentru care majoritatea cercetătorilor definesc termenul ca daune induse de lumină la PSII. În organismele vii, fotosistemul II deteriorat de iluminarea excesivă este reparat în mod constant datorită degradării și sintezei proteinei D 1 a centrului de reacție fotosintetică PSII . Termenul de fotoinhibare este folosit și într-un sens mai larg, adică „fotoinhibație dinamică”, pentru a descrie toate reacțiile care au ca rezultat o scădere a eficienței fotosintezei atunci când plantele sunt expuse la lumină.
Primul om de știință care a măsurat efectiv nivelul de fotoinhibiție a fost Bessel Kok, care și-a publicat rezultatele în 1956 [1] . Deja în primele etape ale studiului fenomenului, a devenit evident că plantele au un fel de mecanism de reparare care elimină constant daunele. În 1966, Jones și Kok au măsurat spectrul de acțiune al fotoinhibiției și au descoperit că lumina ultravioletă a avut cel mai mare efect [2] . S-a constatat, de asemenea, că în partea vizibilă a spectrului, vârful fotoinhibiției a fost în regiunea roșie. În anii 1980, fotoinhibația a devenit un subiect popular în rândul cercetătorilor din fotosinteză, iar conceptul de deteriorare și reparare a fost redescoperit. Cercetarea a început cu o lucrare din 1984 a lui Kyle Ohad și Arntzen, în care au arătat că fotoinhibația este însoțită de o pierdere selectivă a unei proteine de 32 kDa, identificată mai târziu drept proteina D 1 [3] . Fotosensibilitatea PSII cu un complex de oxidare a apei inactivat chimic a fost studiată în anii 1980 și începutul anilor 1990 [4] [5] . O lucrare din 1992 a lui Imre Wass și colegii a descris partea acceptor a mecanismului de fotoinhibire [6] . Măsurarea vitezei de producție a oxigenului singlet de către fotosistemul II în condiții de fotoinhibare a oferit dovezi suplimentare în favoarea unui mecanism acceptor [7] . Conceptul de ciclu de reparare, în care repararea daunelor are loc în mod constant, a evoluat și a fost considerat de Aro și colab. în 1993 [8] . De atunci, au fost descoperite multe detalii ale ciclului de reparare, inclusiv faptul că proteaza FtsH joacă un rol important în degradarea proteinei D 1 [9] . Într-o lucrare din 1996 a lui Taestchzhava și Haro, s-a arătat că constanta ratei de fotoinhibiție este direct proporțională cu intensitatea luminii, contrazicând o sugestie anterioară conform căreia fotoinhibația este cauzată de o fracțiune de energie luminoasă care depășește capacitatea maximă de fotosinteză [10] . În anul următor, grupul lui Yitzhak Ohada a efectuat un experiment privind fotoinhibarea fotosistemului II de către un impuls laser și, pe baza datelor, au sugerat că separarea sarcinii ar putea fi dăunătoare, deoarece ar putea duce la formarea de oxigen singlet [11] . Posibilul mecanism molecular (sau mecanisme) de fotoinhibire este discutat constant în comunitatea științifică. Cel mai nou candidat este mecanismul manganului propus în 2005 de grupul lui Esa Taestchzhava [12] . Un mecanism similar a fost propus de grupul lui Norio Murata în același 2005 [13] .
Fotoinhibația apare la toate organismele capabile de fotosinteză oxigenată, de la plante vasculare până la cianobacterii [14] [15] . În toate cazurile, lumina albastră provoacă un efect mai puternic decât alte lungimi de undă ale luminii vizibile, iar dintre toate lungimile de undă, lumina ultravioletă are cel mai puternic efect distructiv [14] . În esență, fotoinhibația este o serie de reacții fotochimice care inhibă o anumită activitate PSII, dar nu există un consens cu privire la care sunt aceste reacții. Primul care își pierde activitatea, de regulă, este complexul de oxidare a apei [12] [13] [16] [17] . Cu toate acestea, inhibarea PSII în condiții anaerobe are ca rezultat în principal inhibarea transferului de electroni pe partea acceptor a PSII (transferul de electroni de la o pereche specială de clorofile la plastochinonă) [6] . Lumina UV inhibă complexul de oxidare a apei chiar înainte ca restul PSII să-și piardă activitatea. Fotosistemul I (PSI) este mai puțin sensibil la fotodaune decât PSII, dar este încă încet inhibat în timp [18] . Fotoinhibarea PSI apare la plantele sensibile la frig și depinde de fluxul de electroni de la PSII la PSI.
Fotosistemul II este deteriorat de lumină, indiferent de intensitatea acesteia. Randamentul cuantic al reacției dăunătoare în frunzele tipice ale plantelor superioare sau în preparatele cu membrane tilacoide variază între 10–8 și 10–7 și nu depinde de intensitatea luminii [10] [19] . Aceasta înseamnă că aproximativ un complex fotosistem II este deteriorat pentru fiecare 10-100 de milioane de fotoni capturați . Din aceste date rezultă că fotoinhibația are loc la orice intensitate a luminii și constanta de viteză a fotoinhibării este direct proporțională cu intensitatea acesteia. Unele rezultate indică faptul că lumina slabă cauzează chiar mai multe daune decât lumina puternică [11] .
Mecanismul (mecanismele) fotoinhibării sunt în discuție și au fost propuse mai multe mecanisme diferite [16] . Speciile reactive de oxigen , în special oxigenul singlet, joacă un rol în mecanismul de inhibare a părții acceptoare a fotosistemului II, mecanismul de oxigen singlet și mecanismul de inhibare a luminii scăzute. Cu toate acestea, speciile reactive de oxigen nu joacă un rol direct în mecanismul manganului și în mecanismul de inhibare a părții donatoare a fotosistemului II. Fotoinhibarea PSII duce la formarea de oxigen singlet [7] și a altor specii reactive de oxigen, care inhibă ciclul de reparare a PSII prin suprimarea sintezei proteinelor în cloroplast [20] .
Lumina puternică determină reducerea fondului de plastochinonă , rezultând protonarea și reducerea dublă (și dublă protonare) a acceptorului de electroni Q A al Fotosistemului II. Forma protonată și complet redusă de QA nu poate participa la transportul de electroni. În plus, reacția de separare a sarcinii în fotosistemul II inhibat cu o probabilitate mare duce la tranziția donorului de electroni primar ( P 680 ) la starea triplet. Triplet P 680 poate reacționa cu oxigenul și poate forma oxigen singlet foarte reactiv [6] .
Dacă complexul de oxidare a apei este inactivat chimic, atunci elementele de transport de electroni rămase devin foarte sensibile la lumină [4] [19] . S-a sugerat că, chiar și la o frunză sănătoasă, complexul de oxidare a apei nu funcționează întotdeauna în toate complexele fotosistemului II, iar cele în care nu funcționează sunt predispuse la fotoinhibarea rapidă și ireversibilă [21] .
Un foton absorbit de ionii de mangan din grupul de mangan al complexului de oxidare a apei determină inactivarea acestuia. Inhibarea suplimentară a reacțiilor de transfer de electroni are loc prin mecanismul de inhibare a părții donor. Datele privind spectrul de acțiune al fotoinhibiției vorbesc în favoarea acestui mecanism [12] .
Inhibarea fotosistemului II este cauzată de oxigenul singlet, care este format fie din molecule de clorofilă slab conjugate [22] , fie de citocromi și centri fier-sulf redusi [23] .
Separarea sarcinii în fotosistemul II duce la apariția tripletului P 680 și, în consecință, oxigenul singlet, iar separarea sarcinii este mai probabilă la intensitate scăzută a luminii decât la intensitate ridicată a luminii [11] .
Dacă cinetica fotoinhibării este măsurată în frunze, cianobacterii sau alge colorate cu lincomicină sau într-o membrană tilacoidă izolată în care ciclul de reparare nu perturbă cinetica, atunci fotoinhibația va fi descrisă printr-o ecuație de reacție de ordinul întâi. Datele din grupul lui C. W. Chow indică faptul că în frunzele de piper ( Capsicum annuum ), în loc de reacția anterioară, există un pseudoechilibru, chiar și atunci când ciclul de reparare este blocat. Acest fapt poate fi explicat dacă presupunem că inhibarea unei părți a PSII protejează centrele de reacție active rămase de deteriorare [24] . Atât lumina vizibilă, cât și cea ultravioletă provoacă fotoinhibarea, prima fiind mult mai dăunătoare [12] [23] [25] . Unii cercetători consideră că lumina ultravioletă și cea vizibilă induc fotoinhibarea prin două mecanisme diferite [26] , în timp ce alții subliniază asemănarea dintre reacțiile de inhibiție care apar sub influența diferitelor lungimi de undă [12] [13] .
Sub influența luminii, fotoinhibația are loc constant în organismele fotosintetice aflate în lumină și, prin urmare, acestea trebuie să corecteze constant daunele rezultate [8] . Ciclul de reparare a fotosistemului II are loc în cloroplaste și cianobacterii: constă în degradarea vechii și sinteza noii proteine PSII D 1 , urmată de asamblarea centrului de reacție. Restul proteinelor fotosistemului sunt reciclate și reutilizate pentru asamblarea PSII. Datorită reparării rapide, cele mai reactive site-uri PSII nu sunt fotoinhibate chiar dacă planta este cultivată în lumină puternică. Cu toate acestea, stresurile de mediu, cum ar fi temperaturile extreme, salinitatea și seceta limitează furnizarea de dioxid de carbon către ciclul de fixare a carbonului , ceea ce reduce rata de reparare a PSII [27] .
În studiul fotoinhibiției, ciclul de reparare este adesea blocat cu antibiotice ( lincomicina sau cloramfenicol ) care opresc sinteza proteinelor în cloroplast . Sinteza proteinelor are loc numai în proba nedegradată, astfel încât lincomicina nu este necesară atunci când fotoinhibația este măsurată în membrane izolate [27] .
Plantele au mecanisme care le protejează de efectele adverse ale luminii puternice. Cel mai studiat mecanism de protecție biochimic de stingere a energiei de excitație non-fotochimică [28] . Fotoinhibația indusă de lumina vizibilă la mutantul Arabidopsis thaliana fără stingere non-fotochimică are loc cu ~25% mai rapid la tipul sălbatic . De asemenea, este evident că răsucirea sau plierea frunzelor, așa cum se întâmplă, de exemplu, la măcrișul acid ca răspuns la expunerea la lumină puternică, protejează împotriva fotoinhibării.
Fotoinhibația poate fi măsurată în membranele tilacoide izolate sau subfracțiile acestora sau în celulele cianobacteriene intacte prin măsurarea ratei de evoluție a oxigenului în condiții de saturație completă a luminii și în prezența acceptoarelor artificiale de electroni ( reactivi Hill ).
Gradul de fotoinhibație în frunzele intacte poate fi măsurat cu ajutorul unui fluorometru pentru a măsura raportul dintre valoarea variabilă și cea maximă a fluorescenței clorofilei (F V /F M ) [16] . Din acest indice, se poate deduce o valoare pentru gradul de fotoinhibiție, deoarece o parte semnificativă a energiei este eliberată sub formă de fluorescență a clorofilei a în condițiile în care mulți electroni excitați din PSII nu sunt transferați la acceptor, ci se întorc înapoi la sol. stare energetică.
Înainte de a măsura raportul F V /F M , frunzele trebuie incubate la întuneric timp de cel puțin 10 minute, și de preferință mai mult, pentru a elimina stingerea non-fotochimică.
Fotoinhibarea poate fi, de asemenea, indusă cu fulgere scurte de lumină folosind un laser pulsat sau lămpi cu bliț cu xenon . Pentru blițuri foarte scurte, eficiența fotoinhibării depinde de pauza dintre blițuri [11] . Această dependență a fost explicată prin faptul că flash-urile provoacă separarea sarcinii în PSII, urmată de producerea de oxigen singlet. Interpretarea a fost criticată deoarece eficiența fotoinhibării cauzate de blițurile lămpii cu xenon depinde încă de energia blițului chiar și cu blițuri atât de puternice încât saturează reacția de separare a sarcinii [12] .
Unii cercetători preferă să definească termenul „fotoinhibiție” pentru a însemna toate reacțiile care reduc randamentul cuantic al fotosintezei atunci când planta este expusă la lumină [29] [30] . Termenul „fotoinhibare dinamică” include fenomene care reduc în mod reversibil nivelul de fotosinteză în lumină, iar termenii „fotodeteriorare” sau „fotoinhibare ireversibilă” acoperă conceptul de fotoinhibare asociat direct cu efectele dăunătoare ale luminii. Principalul mecanism al fotoinhibării dinamice este stingerea non-fotochimică a energiei de excitație absorbită de PSII. Fotoinhibarea dinamică este aclimatizarea la condiții de lumină puternică, nu deteriorarea indusă de lumină, și astfel „fotoinhibarea dinamică” protejează de fapt plantele de „fotoinhibație”.
Fotoinhibarea poate duce la albirea coralilor [27] .