A xantofill ciklus vagy a violaxanthin ciklus magasabb rendű növények esetében azt a funkciót tölti be, hogy megvédje a fotoszintetikus apparátust a fokozott besugárzás során a felesleges energiától. A nem fotokémiai kioltás nagymértékben növelésével elkerüli a fotogátlást . A ciklus magában foglalja a violaxantin és a zeaxantin közötti enzimes interkonverziókat (a közbenső termék az anteroxantin ) [1] .
A violaxantin ciklus a II. fotorendszer fénygyűjtő komplexének kisebb alegységeiben ( CP29 , CP26, CP23, CP22 stb.) zajlik. Nagy fényintenzitás esetén a fotoszintézis ETC aktív munkája következtében a tilakoid lumen savasodása következik be . Amikor a pH 5,0-ra csökken, aktiválódik a mélyoxidáz enzim, amely a membrán lumenális oldalán a violoxantin epoxicsoportjainak redukcióját végzi, redukálószerként aszkorbinsavat használva . A kettős redukció zeaxantin képződéséhez vezet, amely fényvédő funkciót lát el. A megvilágítás intenzitásának csökkenésével az epoxidáz által katalizált fordított reakció kezd uralkodni, amely a membrán stromális oldalán helyezkedik el, optimális pH-értéke 7,5. Az epoxicsoportok beviteléhez molekuláris oxigénre és redukálószerre ( NADPH ) van szükség. Ennek eredményeként violaxantin képződik, amely fénygyűjtő pigmentként működhet [2] .
A magasabb rendű növények és algák xantofil ciklusa fontos szerepet játszik a fényenergia violaxantin , zeaxanthin és klorofill a közötti újraeloszlásának szabályozásában . A ciklusban a fotoprotektor szerepét a zeaxantin tölti be, amely 11 kettős kötésből álló konjugált rendszert tartalmaz (a violoxantinnak csak 9 konjugált kötése van). A konjugáció növekedése a pigment első szingulett gerjesztett szintjének energiájának csökkenéséhez vezet . A violoxantint 657 nm-en, a zeaxantint 704 nm-en (klorofill-abszorpció 680 nm-en) jellemzi. Így, mivel a zeaxantin gerjesztett állapotának energiája alacsonyabb, mint a klorofill a gerjesztett állapotának energiája, lehetséges a közvetlen szingulett-szinglett energiaátvitel a gerjesztett klorofillból (S 1 ) a zeaxantinba. A fölösleges klorofill gerjesztő energiának a zeaxantin általi elnyelése védi a fotoszintetikus berendezést. Másrészt a violoxantin molekula gerjesztett S 1 állapotának energiája nagyobb, mint a klorofill a-é, ezért a violoxantin a klorofill energiadonorává válhat. Ennek eredményeként a violoxantin egy antenna szerepét tölti be , amely összegyűjti a fotonokat és továbbítja azokat a klorofillhoz.
Így gyenge fénynél a xantofillok túlnyomórészt fénybegyűjtő pigmentekként működnek, míg erős fénynél elősegítik a felesleges energia eloszlatását és megvédik a növényt a fotogátlástól. Ugyanez a mechanizmus segít felkészíteni a növényt a nappal és az éjszaka változására.
A nagyszámú konjugált kötést tartalmazó hosszú karotinoidmolekulák különösen hatékonyan alakítják át a gerjesztési energiát hőenergiává belső átalakításon keresztül . A konjugált kettős kötések nagy száma miatt, amelyek hosszukat jelentősen megváltoztathatják, a karotinoid molekulák harmonikaszerűen hajtják végre az összehúzódás és a dekompresszió állandó oszcillációit. Ez a viselkedés biztosítja az energia gyors disszipációját hővé . Ugyanez a tulajdonság lehetővé teszi, hogy a xantofillok és karotinoidok hatékonyan kioltsák az oxigén aktív , szingulett formáit és a gerjesztett, triplett klorofillt [3] .
Ezenkívül a violoxantin molekulában a mélyoxidáció során fellépő konformációs változások ahhoz vezetnek, hogy a zeaxantin könnyebben képez aggregátumokat. A zeaxantin aggregátumok képződése a CCK II minor fehérjékben a külső CCK II antennákról a PSII reakcióközpontba történő energiamigráció blokkolásához és a gerjesztési energia hődisszipációjához vezet. Ismeretes, hogy erős napfényben a növények az elnyelt kvantumok energiájának 50-70%-át hő formájában disszipálják . Ezért a fotoszintetikus apparátus védelmében az energia hődisszipációja játszik kulcsszerepet (úgy véljük, hogy a Mehler-reakció és a fotorespiráció hozzájárulása sokkal kisebb) [4] .
A spenót vizsgálatakor azt találták, hogy erős fényben a zeaxantin koncentrációjának növekedése meghaladta a violoxantin koncentrációjának csökkenését. Lehetséges, hogy az ilyen körülmények arra ösztönzik a növényeket, hogy aktívabban szintetizálják a zeaxantint β-karotinból [5] .
A zeaxantin fontos szerkezeti szerepet játszik a tilakoid membránokban is. Fokozott megvilágítás mellett a xantofillok eloszlanak a fénygyűjtő komplexek és a lipid kettős réteg között . Mivel a zeaxantinnak két hidrofil -OH csoportja van, a kettős rétegen keresztben helyezkedik el, ezáltal növelve a membrán viszkozitását. A membrán viszkozitásának a zeaxantin és egyes terpenoidok ( α-tokoferol ) miatti növekedése csökkenti annak oxigénáteresztő képességét, és aktív formái révén megvédi a lipideket a peroxidációtól [6] .
A kovaalmakban és a dinoflagellátumokban a xantofil ciklus a diadinoxantin pigmentből áll , amely túlzott fényviszonyok között diatoxantinná alakul át kovaalgokban , vagy dinoxantinná a dinoflagellátumokban [7] .
Egyes magasabb rendű növényekben (például az Inga nemzetségből [8] ) a violaxanthin cikluson kívül további luteális ciklust is találtak. Ebben a ciklusban a lutein-5,6-epoxid reverzibilis átalakulása luteinné erős fényben megy végbe , ami szintén hozzájárul a fotoszintetikus apparátus védelméhez [9] [10] . Ez a ciklus néhány taxonómiailag távoli csoportban megtalálható, de konzervatív, és megmarad a családon és a nemzetségen belül.