15-10-2023
Ксантофи́ллы — группа кислородосодержащих пигментов класса каротиноидов.
По своей химической структуре ксантофиллы как и другие каротиноиды являются изопреноидами, состоящими из 8 изопреновых фрагментов (С40), но в отличие от каротинов ксантофиллы содержат гидроксильные и/или кето- и/или эпоксидные группы. Для ксантофиллов характерны два иононовых кольца, расположенных по краям молекулы. Центральная часть молекулы представляет собой систему сопряженных связей и состоит из 18 атомов углерода (без учёта боковых метильных групп). Система сопряженных связей играет роль хромофорной группы. Ксантофиллы имеют жёлтую окраску различных оттенков обусловленную характерным спектром поглощения с тремя более или менее выраженными пиками в фиолетово-синей области спектра (от 400 до 500 нм). Кристаллизуются в призматические кристаллы жёлтого цвета. В экстракте из растительного материала ксантофиллы легко отделяются от других пигментов при встряхивании спиртового раствора с бензином. После встряхивания ксантофиллы остаются в нижнем, спиртовом слое, между тем как зелёный хлорофилл и оранжевый каротин — переходят в бензин. Также для разделения растительных пигментов используют хроматографические методы.
Ксантофиллы обнаружены у многих прокариот, высших растений и животных. Однако животные не способны синтезировать ксантофиллы и получают их с растительной пищей. Ксантофиллы наряду с другими каротиноидами являются дополнительными пигментами фотосинтеза и содержатся в основном в листьях растений. Основные ксантофиллы высших растений: лютеин, виолоксантин, зеаксантин, неоксантин. Ксантофиллы локализованы во внутренних мембранах хлоропластов и выполняют фотопротекторную функцию в ходе работы ксантофиллового (виолоксантинового) цикла.
Ксантофилловый цикл выполняет функцию защиты фотосинтетического аппарата от избытка энергии при повышенной инсоляции. Цикл включает в себя ферментативные взаимопревращения между виолоксантином и зеаксантином (промежуточный продукт — антероксантин). Ксантофилловый цикл протекает в минорных субъединицах светособирающего комплекса фотосистемы II (белки CP29, CP26, CP23, CP22 и др.). При высокой интенсивности света в следствие активной работы ЭТЦ фотосинтеза происходит закисление люмена тилакоидов. При падении pH до 5,0 активируются фермент деэпоксидаза, которая с люменальной стороны мембраны осуществляет восстанавление эпоксидных групп виолоксантина, используя в качестве восстановителя аскорбиновую кислоту. Двукратное восстановление приводит к образованию зеаксантина, который и выполняет фотопротекторную функцию. При снижении интенсивности освещения, происходит обратная реакция катализируемая эпоксидазой, расположенной со стромальной стороны мембраны. Для введения эпоксидных групп необходим молекулярный кислород и восстановитель (NADPH). В результате образуется виолоксантин, который может выполнять роль светособирающего пигмента.
Роль фотопротектора в цикле выполняет зеаксантин, содержащий систему сопряжения из 11 двойных связей (у виолоксантина всего 9 сопряженных связей). Увеличение системы сопряжения приводит к снижению энергии возбужденного уровня пигмента. Для виолоксантина характерно поглощение при 657 нм, а для зеаксантина при 704 нм (поглощение хлорофилла при 680 нм). Таким образом, поскольку энергия возбужденного состояния зеаксантина ниже энергии возбужденного состояния хлорофилла, возможно прямое энергетическое взаимодействием между этими пигментами. Поглощение избыточной энергии возбуждения хлорофилла зеаксантином защищает фотосинтетический аппарат. С другой стороны возбужденная молекула виолоксантина может стать донором энергии для хлорофилла, поскольку характеризуется большей энергией возбуждения, в результате она может играть роль антенны, собирающей фотоны.
Кроме того, конформационные изменения в молекуле виолоксантина протекающие при деэпоксидации приводят к тому, что зеаксантин легче образует агрегаты. Образование агрегатов зеаксантина в минорных белках ССК II приводит к блокированию миграции энергии от внешних антенн ССК II к реакционному центру ФС II и тепловой диссипации энергии возбуждения. Особенно важную роль при закислении люмена играет взаимодействие с минорным белком CP22 (PsbS) с которым связываются 2 молекулы зеаксантина, что приводит к увеличению нефотохимического тушения возбуждения[1]. Известно, что при ярком солнечном освещении растения рассеивают в форме тепла от 50 до 70 % энергии поглощённых квантов. Поэтому именно тепловая диссипация энергии играет ключевую роль в защите фотосинтетического аппарата (считается, что вклад реакции Мелера и фотодыхания значительно меньше).
Также зеаксантин выполняет важную структурную роль в мембранах тилакоидов. При повышенном освещении ксантофиллы распределяются между светособирающими комплексами и липидным бислоем. Поскольку зеаксантин имеет две гидрофильные -OH группы, он располагается поперек бислоя, тем самым увеличивая вязкость мембраны. Увеличение вязкости снижает чувствительность липидов к перекисному окислению активными формами кислорода.
Ксантофиллы.
