A fotoinhibíció a növények , algák vagy cianobaktériumok fotoszintetikus aktivitásának fény által kiváltott csökkenése . A Photosystem II (PSII) érzékenyebb a fényre, mint a többi fotoszintetikus gép, ezért a legtöbb kutató a PSII fény által kiváltott károsodásaként határozza meg a kifejezést. Az élő szervezetekben a túlzott megvilágítás által károsodott II. fotorendszer folyamatosan helyreáll a PSII fotoszintetikus reakcióközpont D 1 fehérje lebomlása és szintézise miatt . A fotoinhibíció kifejezést tágabb értelemben is használják, jelentése "dinamikus fotogátlás", minden olyan reakció leírására, amely a fotoszintézis hatékonyságának csökkenését eredményezi, amikor a növényeket fény éri.
Az első tudós, aki ténylegesen megmérte a fotoinhibíció szintjét, Bessel Kok volt, aki 1956-ban publikálta eredményeit [1] . Már a jelenség vizsgálatának kezdeti szakaszában nyilvánvalóvá vált, hogy a növényeknek van valamiféle javító mechanizmusa, amely folyamatosan megszünteti a károkat. 1966-ban Jones és Kok megmérték a fotogátlás hatásspektrumát, és megállapították, hogy az ultraibolya fénynek van a legnagyobb hatása [2] . Azt is megállapították, hogy a spektrum látható részén a fotogátlás csúcsa a vörös tartományban volt. Az 1980-as években a fotoinhibíció népszerű téma lett a fotoszintézis kutatói körében, és újra felfedezték a károsodás és javítás fogalmát. A kutatás Kyle Ohad és Arntzen 1984-es tanulmányával kezdődött, amelyben kimutatták, hogy a fotogátlás egy 32 kDa-os fehérje szelektív elvesztésével jár együtt, amelyet később D 1 fehérjeként azonosítottak [3] . A PSII fényérzékenységét egy kémiailag inaktivált vízoxidáló komplexszel az 1980-as években és az 1990-es évek elején tanulmányozták [4] [5] . Wass Imre és munkatársai 1992-ben írták le a fotoinhibíciós mechanizmus akceptor oldalát [6] . A szingulett oxigéntermelés sebességének mérése a II. fotorendszerrel fotoinhibíciós körülmények között további bizonyítékot szolgáltatott az akceptor mechanizmus mellett [7] . A javítási ciklus fogalma, amelyben a sérülések javítása folyamatosan történik, fejlődött, és Aro et al. 1993-ban [8] . Azóta a javítási ciklus számos részletét felfedezték, többek között azt, hogy az FtsH proteáz fontos szerepet játszik a D 1 fehérje lebontásában [9] . Taestchzhava és Haro 1996-os tanulmánya kimutatta, hogy a fotogátlási sebességi állandó egyenesen arányos a fény intenzitásával, ami ellentmond annak a korábbi feltevésnek, hogy a fotogátlást a fényenergia olyan része okozza, amely meghaladja a maximális fotoszintézis kapacitást [10] . A következő évben Yitzhak Ohada csoportja kísérletet végzett a II . fotorendszer lézerimpulzussal történő fotogátlására , és az adatok alapján azt sugallták, hogy a töltésleválasztás káros lehet, mivel szingulett oxigén képződéséhez vezethet [11] . A fotogátlás lehetséges molekuláris mechanizmusát (vagy mechanizmusait) folyamatosan vitatják a tudományos közösségek. A legújabb jelölt az Esa Taestchzhava csoportja által 2005-ben javasolt mangán mechanizmus [12] . Hasonló mechanizmust javasolt Norio Murata csoportja ugyanebben 2005-ben [13] .
A fotogátlás minden oxigénes fotoszintézisre képes szervezetben előfordul, az edényes növényektől a cianobaktériumokig [14] [15] . A kék fény minden esetben erősebb hatást vált ki, mint a látható fény más hullámhosszai, és az összes hullámhossz közül az ultraibolya fénynek van a legerősebb pusztító hatása [14] . A fotoinhibíció lényegében olyan fotokémiai reakciók sorozata, amelyek gátolnak egy adott PSII-aktivitást, de nincs konszenzus arra vonatkozóan, hogy melyek ezek a reakciók. Az első, amely elveszíti aktivitását, általában a vízoxidáló komplex [12] [13] [16] [17] . A PSII gátlása anaerob körülmények között azonban főként a PSII akceptor oldalán történő elektrontranszfer gátlását eredményezi (elektrontranszfer egy speciális klorofillpárból a plasztokinonba) [6] . Az UV-fény még azelőtt gátolja a vizet oxidáló komplexet, hogy a PSII többi része elveszítené aktivitását. A Photosystem I (PSI) kevésbé érzékeny a fénykárosodásra, mint a PSII, de idővel még mindig lassan gátolja [18] . A PSI fotogátlás hidegérzékeny növényekben fordul elő, és a PSII-től a PSI-ig terjedő elektronáramlástól függ.
A Photosystem II-t a fény károsítja, függetlenül annak intenzitásától. A károsító reakció kvantumhozama magasabb rendű növények tipikus leveleiben vagy tilakoid membránpreparátumokban 10-8 és 10-7 között van, és nem függ a fényintenzitástól [10] [19] . Ez azt jelenti, hogy körülbelül egy Photosystem II komplexum sérül minden 10-100 millió befogott foton után . Ezekből az adatokból az következik, hogy a fotoinhibíció bármilyen fényintenzitás mellett bekövetkezik, és a fotogátlás sebességi állandója egyenesen arányos annak intenzitásával. Egyes eredmények azt mutatják, hogy a gyenge fény még nagyobb károkat okoz, mint az erős fény [11] .
A fotoinhibíció mechanizmusáról (mechanizmusairól) vita folyik, és számos különböző mechanizmust javasoltak [16] . A reaktív oxigénfajták , különösen a szingulett oxigén, szerepet játszanak a II. fotorendszer akceptor oldalának gátlásának mechanizmusában, a szingulett oxigén mechanizmusban és az alacsony fény gátlási mechanizmusában. A reaktív oxigénfajták azonban nem játszanak közvetlen szerepet a mangán mechanizmusban és a II. fotorendszer donor oldalának gátlási mechanizmusában. A PSII fotogátlása szingulett oxigén [7] és más reaktív oxigénfajták képződéséhez vezet, amelyek gátolják a PSII javítási ciklusát azáltal, hogy elnyomják a fehérjeszintézist a kloroplasztiszban [20] .
Az erős fény a plasztokinonkészlet csökkenését okozza, ami protonálódást és kettős redukciót (és kettős protonálódást) eredményez a Photosystem II elektronakceptor Q A -jában. A QA protonált és teljesen redukált formája nem tud részt venni az elektrontranszportban. Ráadásul a II. gátolt fotorendszerben a töltésszétválasztási reakció nagy valószínűséggel a primer elektrondonor ( P 680 ) triplett állapotba való átmenetéhez vezet. A Triplet P 680 reakcióba léphet oxigénnel, és nagyon reaktív szingulett oxigént képezhet [6] .
Ha a vizet oxidáló komplexet kémiailag inaktiváljuk, akkor a megmaradt elektrontranszport elemek nagyon érzékennyé válnak a fényre [4] [19] . Feltételezték, hogy a vízoxidáló komplex még egy egészséges levélben sem működik mindig a II. fotorendszer összes komplexében, és azok, amelyekben nem működik, hajlamosak a gyors és visszafordíthatatlan fotogátlásra [21] .
A vízoxidáló komplex mangán klaszterében a mangán ionok által elnyelt foton inaktiválja. Az elektrontranszfer reakciók további gátlása a donor oldal gátlási mechanizmusával történik. A fotogátlás hatásspektrumára vonatkozó adatok e mechanizmus mellett szólnak [12] .
A II. fotorendszer gátlását a szingulett oxigén okozza, amelyet vagy gyengén konjugált klorofillmolekulák [22] vagy redukált citokrómok és vas-kén centrumok [23] hoznak létre .
A II. fotorendszerben a töltések szétválása a P 680 triplett megjelenéséhez vezet, és ennek következtében a szingulett oxigén, és a töltésszétválás valószínűbb alacsony fényintenzitás mellett, mint nagy fényintenzitás mellett [11] .
Ha a fotogátlás kinetikáját linkomicinnel festett levelekben, cianobaktériumokban vagy algákban, vagy olyan izolált tilakoid membránban mérjük, amelyben a javítási ciklus nem zavarja a kinetikát, akkor a fotoinhibíciót egy elsőrendű reakcióegyenlet írja le. C. W. Chow csoportjának adatai azt mutatják, hogy a paprika ( Capsicum annuum ) leveleiben a korábbi reakció helyett pszeudoegyensúly van, még akkor is, ha a javítási ciklus blokkolva van. Ez a tény megmagyarázható, ha feltételezzük, hogy a PSII egy részének gátlása megvédi a fennmaradó aktív reakcióközpontokat a károsodástól [24] . Mind a látható, mind az ultraibolya fény fotogátlást okoz, az előbbi sokkal károsabb [12] [23] [25] . Egyes kutatók úgy vélik, hogy az ultraibolya és a látható fény két különböző mechanizmuson keresztül indukálja a fotogátlást [26] , míg mások a különböző hullámhosszok hatására fellépő gátlási reakciók hasonlóságát hangsúlyozzák [12] [13] .
A fény hatására a fotoszintetikus szervezetekben a fényben folyamatosan fotogátlás lép fel, ezért folyamatosan korrigálniuk kell az ebből eredő károsodást [8] . A II. fotoszisztéma javítási ciklusa a kloroplasztiszokban és cianobaktériumokban megy végbe: a régi PSII D 1 fehérje lebontásából és az új PSII D 1 szintéziséből , majd a reakcióközpont összeállításából áll. A fotorendszer többi fehérjét újrahasznosítják, és újra felhasználják a PSII összeállításához. A gyors javítás miatt a legreaktívabb PSII helyek még akkor sem fotoinhibálódnak, ha a növényt erős fényben termesztik. Azonban a környezeti igénybevételek, mint például a szélsőséges hőmérsékletek, a sótartalom és a szárazság korlátozzák a szén-dioxid-ellátást a szénmegkötő ciklusban , ami csökkenti a PSII helyreállítási sebességét [27] .
A fotoinhibíció vizsgálata során a javítási ciklust gyakran blokkolják antibiotikumok ( linkomicin vagy kloramfenikol ), amelyek leállítják a fehérjeszintézist a kloroplasztiszban . A fehérjeszintézis csak a nem lebontott mintában megy végbe, így nincs szükség linkomicinre, ha izolált membránokban mérik a fotogátlást [27] .
A növényeknek olyan mechanizmusok vannak, amelyek megvédik őket az erős fény káros hatásaitól. A nem fotokémiai gerjesztési energia kioltásának leggyakrabban tanulmányozott biokémiai védőmechanizmusa [28] . Az Arabidopsis thaliana mutánsban látható fény által kiváltott fotoinhibíció nem fotokémiai kioltás nélkül ~25%-kal gyorsabban megy végbe a vad típusban . Az is nyilvánvaló, hogy a levelek elfordulása vagy hajtogatása, ami például a sóskánál az erős fény hatására bekövetkezik, véd a fotogátlás ellen.
A fotogátlás mérhető izolált tilakoid membránokban vagy azok szubfrakcióiban, vagy ép cianobaktérium sejtekben az oxigénfejlődés sebességének mérésével teljes fénytelítettség körülményei között és mesterséges elektronakceptorok ( Hill's reagensek ) jelenlétében.
Az ép levelekben a fotogátlás mértéke fluorométerrel mérhető a változó és a maximális klorofill a fluoreszcencia érték (F V /F M ) arányának mérésére [16] . Ebből az indexből származtatható a fotogátlás mértéke, mivel az energia jelentős része klorofill a fluoreszcencia formájában szabadul fel olyan körülmények között, amikor a PSII-ből sok gerjesztett elektron nem kerül át az akceptorba, hanem visszakerül a talajba. energia állapot.
Az F V /F M arány mérése előtt a leveleket sötétben kell inkubálni legalább 10 percig, de lehetőleg tovább, a nem fotokémiai kioltás megszüntetése érdekében.
A fotoinhibíció rövid fényvillanásokkal is előidézhető impulzuslézer vagy xenon villanólámpák segítségével . Nagyon rövid villanások esetén a fénygátlás hatékonysága a villanások közötti szünettől függ [11] . Ezt a függést azzal magyarázták, hogy a villanások töltésleválást okoznak a PSII-ben, majd ezt követi a szingulett oxigén képződése. Az értelmezést azért bírálták, mert a xenonlámpa villanásai okozta fotogátlás hatékonysága még olyan erős villanások esetén is függ a villanási energiától, hogy telítik a töltésleválasztási reakciót [12] .
Egyes kutatók szívesebben határozzák meg a „fotoinhibíció” kifejezést minden olyan reakcióra, amely csökkenti a fotoszintézis kvantumhozamát, amikor a növényt fény éri [29] [30] . A „dinamikus fotogátlás” kifejezés olyan jelenségeket foglal magában, amelyek reverzibilisen csökkentik a fényben a fotoszintézis szintjét, a „fotokárosodás” vagy „irreverzibilis fotogátlás” pedig a fény káros hatásaihoz közvetlenül kapcsolódó fotoinhibíció fogalmát takarja. A dinamikus fotogátlás fő mechanizmusa a PSII által elnyelt gerjesztési energia nem fotokémiai kioltása . A dinamikus fotoinhibíció az erős fényviszonyokhoz való akklimatizáció , nem pedig a fény által kiváltott károsodás, így a „dinamikus fotogátlás” valójában megvédi a növényeket a „fotoinhibíciótól”.
A fotoinhibíció a korallok kifehéredéséhez vezethet [27] .