Mittefotokeemiline kustutamine

Mittefotokeemiline kustutamine (inglise Non-photochemical quenching, NPQ) on valguskahjustuste vältimise mehhanism taimedes.
Taimedele langeb enamasti rohkem valgust kui nad vajavad, mis võib tekitada kudedes fotooksüdatiivseid kahjustusi. Kui taim pole võimeline neeldunud energiat fotokeemilistes reaktsioonides kasutama, viiakse NPQ käigus klorofülli ergastatud olek tagasi madalamale astmele, kusjuures energia hajub soojusena. Mittefotokeemiline kustutamine toimub peaaegu kõigis fotosünteetilistes eukarüootides (taimed ja vetikad).

Roll fotosünteesis

Valguse neeldumine fotosünteesi valgustneelavates kompleksides viib klorofülli (Chl) põhiolekust kõrgema energiaga ergastunud olekusse (¹Chl*). Klorofülli põhiolekusse naasmiseks võib kogutud energia kas (1) footonina tagasi kiirata (fluorestsents), (2) hajuda soojusena läbi mittefotokeemilise kustutamise protsessi, (3) kanduda fotokeemilistesse reaktsioonitsentritesse ja energiseerida fotosünteesi või (4) kõduneda klorofülli ³Chl* oleku kaudu, mis genereerib reaktiivseid hapnikuühendeid (¹O₂*) ning seega tekitab kudedes oksüdatiivseid kahjustusi.
Fluorestsentsi ja ³Chl* tekkimise tase sõltub klorofülli ergastunud oleku ¹Chl* eluajast, mis omakorda sõltub sellest, palju energiat satub teistele radadele. Fotokeemilise kustutamise korral suundub energia suure efektiivsusega fotokeemilistesse protsessidesse, mis limiteeritud valguse korral surub alla („kustutab“) fluorestsentsi. Mittefotokeemilise kustutamise korral toimub fluorestsentsi allasurumine läbi energia suundumise NPQ protsessidesse. Taimed on tänu fotokeemilise ja mittefotokeemilise kustutamise kombinatsioonile võimelised hoidma stabiilset fluorestsentsi ja ³Chl* taset väga erinevate valgusintensiivsuste korral ning seega minimeerima fotooksüdatiivseid kahjusid.

Protsess

Fotosüsteem II valgustpüüdvate kompleksidega (LHC) on perifeerselt seotud ksantofülli tsükli karotenoidid. Ksantofülli tsüklis toimub pöörduv violaksantiini de-epoksidatsioon zeaksantiiniks, mida katalüüsib violaksantiin de-epoksidaas. Taimedel, rohevetikatel ja pruunvetikatel esineb pH-sõltuv ksantofülli tsükkel, kus violaksantiin (kahe epoksiidrühmaga ksantofüll) konverteeritakse anteraksantiiniks (üks epoksiidrühm) ja seejärel zeaksantiiniks (epoksiidrühm puudub). Diatoomidel ja muudel eukarüootsetel vetikatel esineb diadinoksantiini tsükkel, kus diadinoksantiin (üks epoksiidrühm) konverteeritakse diatoksantiiniks (epoksiidrühm puudub).
Kui valguse neeldumine ületab taime võime süsihappegaasi fikseerida, kuhjuvad fotosünteetilises elektrontranspordis pumbatud prootonid ja tülakoid hapestub. Tülakoidi luumeni pH langus omakorda kutsub esile fotosüsteem II valkude protoneerimise ja ksantofülli tsükli aktiveerumise. Seejuures valgu PsbS aktiveerimine toimub sekunditega, violaksantiin de-epoksidaasi ja zeaksantiini moodustumine minutitega. PsbS loob mittefotokeemilise kustutamise tsentri, sidudes nii prootoneid kui zeaksantiini ning interaktseerudes fotosüsteem II valgustpüüdva kompleksi (LHC) klorofüllidega. Ükski valguspüüdev kompleks pole zeaksantiini unikaalne seondumissait ja see toimub mittefotokeemilise kustutamise aktivaatorina ainult PsbS-iga seotuna. Violaksantiini asendumine zeaksantiiniga valgustpüüdva kompleksi saidis indutseerib konformatsioonilise muutuse mittefotokeemilise kustutamise kompleksiks. Zeaksantiin osaleb otseselt klorofülli ergastuse kustutamise protsessis.
Valgusintensiivsuse vähenemisel tõuseb tülakoidi pH, mis toob kaasa fotosüsteem II valkude deprotoneerimise. Zeantiini konversioon tagasi violaksantiiniks toimub aeglasemalt. Protsess indutseerub 20–30 sekundi jooksul ning taastub 1–5 minuti jooksul.
Mittefotokeemiline kustutamine koosneb kolmest komponendist. Ülalkirjeldatud on soojust hajutav komponent qE. Sellest aeglasemad on olekuülekande komponent qT (taastub 5–10 minutit) ja fotoinhibidatsiooniga seotud komponent qI (taastub tunde).

Tähtsus adaptsioonina

Mittefotokeemiline kustutamine on taime valgusregulatsioonis kiire reaktsioon pidevalt muutuvatele valgustingimustele (näiteks päikeselaigud või lehe liikumine). De-epoksidatsioon kui aeglasem protsess toimib keskmise valgustingimuse molekulaarse mäluna. Protoneerimine tagab sekunditega toimiva tagasiside. Taimed kohandavad oma mittefotokeemilise kustutamise määra vastavalt valgustingimustele. Intensiivse kiirgusega harjunud taimedel on suurem kustutamise võime, mis tuleneb suuremast ksantofülli ja PsbS kontsentratsioonist.

Mõõtmine

Klorofülli fluorestsentsi kustutamist mõõdetakse praktikas fluoromeetiga, mis suudab mõõta fluorestsentsi määra erineva taustavalguse puhul. Ainult NPQ-st tulenevat kustutamist on võimalik kindlaks teha mõõtes fluorestsentsi lühikeste (vähem kui 1 s kestvate) valguspulsside ajal, mis küllastavad fotosüsteem II reaktsioonitsentrid ja välistavad fotokeemilise kustutamise toimumise.
Klorofülli fluorestsentsi väärtust valguspulsi ajal, kui fotokeemilist kustutamist ei toimu ja fotokeemiline efektiivsus on maksimaalne, nimetatakse maksimaalseks fluorestsentsiks (Fₘ). Fluorestsentsi väärtus on minimaalne (F₀) siis, kui fotosünteetiline valgus puudub ja fotosüsteem II tsentrid on avatud. Fotokeemilise kustutamise aktiivsust saab hinnata võrreldes Fₘ väärtust fluorestsentsiga valguse käes (Fₜ) ja fluorestsentsiga fotosünteetilise valguse puudumisel (F₀). Erinevalt fotokeemilistest protsessidest pole võimalik energia hajumist täielikult inhibeerida, seega pole võimalik kindlaks teha klorofülli fluorestsentsi väärtust mittefotokeemilise kustutamise puudumisel. Sellest tulenevalt on kõik mittefotokeemilist kustutamist kvantifitseerivad väärtused suhtelised, sõltudes mingist pimedusega kohanenud Fₘ väärtusest.
Mittefotokeemilise kustutamise väärtus on NPQ = (Fₘ – Fₘ')/Fₘ', kus Fₘ' on maksimaalne fluorestsents valguse käes ja Fₘ on pimedusega kohanenud proovi maksimaalse fluorestsentsi väärtus. NPQ komponente saab mõõtmisel eraldi kvantifitseerida tänu nende erinevale taastumise kineetikale ja tundlikkusele erinevatele kemikaalidele.