Xantofylový cyklus nebo violaxanthinový cyklus u vyšších rostlin plní funkci ochrany fotosyntetického aparátu před přebytečnou energií při zvýšeném oslunění. Vyhýbá se fotoinhibici tím, že výrazně zvyšuje nefotochemické zhášení . Cyklus zahrnuje enzymatické interkonverze mezi violaxanthinem a zeaxanthinem (meziproduktem je anteroxanthin ) [1] .
Cyklus violaxanthinu se vyskytuje v minoritních podjednotkách komplexu sklízejícího světlo fotosystému II (proteiny CP29, CP26, CP23, CP22 atd.). Při vysoké intenzitě světla v důsledku aktivní práce ETC fotosyntézy dochází k okyselení lumen thylakoidu . Při poklesu pH na 5,0 se aktivuje enzym deepoxidáza, který na lumenální straně membrány provádí redukci epoxidových skupin violoxanthinu pomocí kyseliny askorbové jako redukčního činidla . Dvojitá redukce vede k tvorbě zeaxantinu, který plní fotoprotektivní funkci. S poklesem intenzity osvětlení začíná převládat reverzní reakce katalyzovaná epoxidázou, lokalizovaná na stromální straně membrány s optimálním pH 7,5. Zavedení epoxidových skupin vyžaduje molekulární kyslík a redukční činidlo ( NADPH ). V důsledku toho vzniká violaxanthin, který může působit jako světlosběrné barvivo [2] .
Xantofylový cyklus vyšších rostlin a řas hraje důležitou roli v regulaci redistribuce světelné energie mezi violaxanthin , zeaxanthin a chlorofyl a . Roli fotoprotektoru v cyklu plní zeaxanthin, který obsahuje konjugovaný systém 11 dvojných vazeb (violoxanthin má pouze 9 konjugovaných vazeb). Zvýšení konjugace vede ke snížení energie první singletové excitované hladiny pigmentu. Violoxanthin je charakterizován absorpcí při 657 nm a zeaxanthin při 704 nm (absorpce chlorofylu při 680 nm). Jelikož je tedy energie excitovaného stavu zeaxanthinu nižší než energie excitovaného stavu chlorofylu a, je možný přímý singlet-singletový přenos energie z excitovaného chlorofylu (S 1 ) na zeaxanthin. Absorpce přebytečné excitační energie chlorofylu zeaxanthinem chrání fotosyntetický aparát. Na druhou stranu energie excitovaného stavu S 1 molekuly violoxanthinu je vyšší než energie chlorofylu a, a proto se violoxanthin může stát donorem energie pro chlorofyl. V důsledku toho hraje violoxanthin roli antény , která sbírá fotony a přenáší je do chlorofylu.
Při slabém osvětlení tedy xantofyly působí převážně jako světlosběrné pigmenty, zatímco při vysokém osvětlení pomáhají odvádět přebytečnou energii a chrání rostlinu před fotoinhibicí. Stejný mechanismus pomáhá připravit rostlinu na změnu dne a noci.
Dlouhé molekuly karotenoidů s velkým počtem konjugovaných vazeb jsou zvláště účinné při přeměně excitační energie na tepelnou prostřednictvím vnitřní přeměny . Vzhledem k velkému počtu konjugovaných dvojných vazeb, které mohou poměrně výrazně měnit svou délku, provádějí molekuly karotenoidů konstantní oscilace kontrakce a dekomprese jako harmonika. Toto chování zajišťuje rychlé rozptýlení energie do tepla . Stejná vlastnost umožňuje xantofylům a karotenoidům účinně uhasit aktivní singletové formy kyslíku a excitovaný tripletový chlorofyl [ 3] .
Navíc konformační změny v molekule violoxanthinu, ke kterým dochází během hluboké oxidace, vedou k tomu, že zeaxanthin snadněji tvoří agregáty. Tvorba zeaxanthinových agregátů v minoritních proteinech CCK II vede k blokování migrace energie z externích antén CCK II do reakčního centra PSII a tepelnému rozptylu excitační energie. Je známo, že pod jasným slunečním světlem rostliny rozptýlí ve formě tepla 50 až 70 % energie absorbovaných kvant . Proto je to tepelná disipace energie, která hraje klíčovou roli v ochraně fotosyntetického aparátu (předpokládá se, že příspěvek Mehlerovy reakce a fotorespirace je mnohem menší) [4] .
Při studiu špenátu bylo zjištěno, že za jasného světla nárůst koncentrace zeaxantinu převýšil pokles koncentrace violoxanthinu. Je možné, že takové podmínky povzbudí rostliny k aktivnější syntéze zeaxanthinu z β-karotenu [5] .
Zeaxanthin také hraje důležitou strukturální roli v thylakoidních membránách. Při zvýšeném osvětlení jsou xantofyly distribuovány mezi komplexy sbírající světlo a lipidovou dvojvrstvou . Protože zeaxanthin má dvě hydrofilní -OH skupiny, sedí napříč dvojvrstvou, čímž se zvyšuje viskozita membrány. Zvýšení viskozity membrány vlivem zeaxantinu a některých terpenoidů ( α-tokoferol ) snižuje její propustnost pro kyslík a chrání lipidy před peroxidací svými aktivními formami [6] .
U rozsivek a dinoflagelátů se xantofylický cyklus skládá z pigmentu diadinoxanthinu , který se v podmínkách nadměrného světla přeměňuje na diatoxantin u rozsivek nebo na dioxantin u dinoflagelátů [7] .
U některých vyšších rostlin (např. z rodu Inga [8] ) byl kromě violaxanthinového cyklu nalezen další luteální cyklus. Během tohoto cyklu dochází v jasném světle k reverzibilní přeměně lutein-5,6-epoxidu na lutein , což také zřejmě přispívá k ochraně fotosyntetického aparátu [9] [10] . Tento cyklus se vyskytuje v některých taxonomicky vzdálených skupinách, ale je konzervativní a je zachován v rámci čeledi a rodu.