УДК 581.1
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФУНКЦИОНИРОВАНИИ ВИОЛАКСАНТИНОВОГО ЦИКЛА
(РАЗВИТИЕ ИДЕЙ Д. И. САПОЖНИКОВА)
© 2012 г. Т. Г. Маслова*, Е. Ф. Марковская**
Учреждение Российской академии наук Ботанический институт
им. В.Л. Комарова, Санкт-Петербург
** Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Петрозаводский государственный университет”, Петрозаводск

Поступила в редакцию 28.09.2011 г.

В 2011 г. исполнилось 100 лет со дня рождения Давида Иосифовича Сапожникова (17.06.191123.11.1983) – известного физиолога растений, эволюциониста, исследователя роли каротиноидов в жизнедеятельности растений, получившего мировую известность за открытие виолаксантинового цикла. В статье рассматриваются наиболее важные результаты и гипотезы автора, получившие дальнейшее развитие, и даны современные представления по этим направлениям исследований.

Ключевые слова: автотрофные организмы  виолаксантин – зеаксантин  виолаксантиновый цикл – ферменты  функции цикла
------------------------------------------
Сокращения: Антер – антераксантин, Виол – виолаксантин, ВДЭ – виолаксантиндезэпоксидаза, ВЦ – виолаксантиновый цикл, Зеа – зеаксантин, ЗЭ – зеаксантинэпоксидаза, СА – салицилальдоксим, ФА – фотосинтетический аппарат, NPQ – нефотохимическое тушение флуоресценции хлорофилла.
Адрес для корреспонденции: Марковская Евгения Федоровна. 185610 Петрозаводск, пр. Ленина, 33. Петрозаводский государственный университет, эколого-биологический факультет, кафедра ботаники и физиологии растений. Электронная почта: volev@sampo.ru
ВВЕДЕНИЕ
В 2011 г. исполнилось 100 лет со дня рождения Давида Иосифовича Сапожникова. Вся его жизнь была связана с Ботаническим институтом им. В.Л. Комарова АН СССР (Ленинград) и посвящена изучению фотосинтетических пигментов. В результате работы сформировалась Научная школа Д.И. Сапожникова по изучению пигментов растений, идеи и результаты которой получили широкое развитие в настоящее время.
Д.И. Сапожников закончил в 1932 г. биологический факультет Ленинградского университета, затем аспирантуру Биологического института ЛГУ под руководством профессоров Б.В. Перфильева и В.А. Чеснокова. Д.И. Сапожников занимался изучением некоторых физиолого-биохимических процессов у сернопурпурных бактерий, и завершением этих исследований стала кандидатская диссертация “Фоторедукция угольной кислоты как окислительно-восстановительный процесс”, защита которой состоялась в 1936 г. В 1939 г. Сапожников опубликовал работу “Эволюция фотосинтеза” [1], где предложил гипотезу об основных этапах смены типов метаболизма у микроорганизмов, которые привели к возникновению фотосинтеза. Уже тогда Сапожниковым были сформулированы представления о связях системы каротиноидов (как окислительно-восстановительной системы) с кислородным звеном фотосинтеза, которые получили экспериментальное подтверждение почти через 30 лет. Эволюции фотосинтеза посвящена его докторская диссертация “Физико-химические основы фототрофного типа питания”, которая была защищена в 1955 г. В ходе огромной экспериментальной работы этого раннего периода (до 1955 г. было опубликовано более 35 работ) Сапожникова продолжала интересовать функция системы “каротинксантофилл” в реакциях фотосинтеза. И, таким образом, две наиболее дискуссионные проблемы в физиологии растений – роль пигментного аппарата в фотосинтезе и физико-химические механизмы выделения кислорода, оказались основными направлениями активной научной деятельности Д.И. Сапожникова, начиная со студенческих времен и на протяжении почти 50 лет.
Идея об участии ксантофиллов в выделении кислорода в процессе фотосинтеза возникла у Сапожникова [2] и у Dorough и Calvin [3] почти одновременно (1951 г). Она основывалась на химическом строении этой группы каротиноидов, отличающихся друг от друга наличием и количеством кислородных групп. Тот факт, что ксантофиллы, имеющие в составе молекулы эпоксидный кислород, встречаются только у организмов, выделяющих кислород в процессе фотосинтеза, свидетельствовал в пользу этой гипотезы. Следует отметить, что выдающийся биохимик, лауреат Нобелевской премии М. Calvin в 1962 г. посетил лабораторию Д.И. Сапожникова, где он был поражен большим разрывом между низким техническим оснащением и тем уровнем работ, которые выходили из этой лаборатории.
Каждый новый этап исследовательской работы Сапожникова начинался с экспериментальной разработки методик. Так, в 1955 г. был модифицирован метод бумажной хроматографии [4], благодаря чему стало возможным количественное определение индивидуальных каротиноидов. В 1957 г. Сапожников с соавт. [5] впервые обнаружили светоиндуцированные обратимые взаимопревращения ксантофиллов, имеющие циклический характер. Впоследствии это открытие было названо “виолаксантиновым циклом” (ВЦ). При освещении листьев сильным светом в них обнаруживается уменьшение содержания эпоксиксантофилла – Виол (виолаксантина) и возрастание безэпоксидного лютеина (во фракции с зеаксантином (Зеа)). Это  прямая реакция цикла. Обратная реакция цикла заключается в превращении Зеа в Виол и может проходить в темноте и на свету. Промежуточным продуктом в обоих реакциях является антераксантин (Антер). Сапожников с присущей ему научной интуицией высказал предположение об универсальности этого цикла в растительном мире, о его связи с фотосинтезом и о наличии в листьях ферментных систем, регулирующих взаимопревращения каротиноидов [6]. В прямой реакции участвует виолаксантиндезэпоксидаза (ВДЭ), а в обратной – зеаксантинэпоксидаза (ЗЭ). Эти положения полностью подтвердились в зарубежных исследованиях [7, 8]. Приоритет Сапожникова в этом открытии получил всемирное признание [911], и циклические превращения заслужили названия “виолаксантиновый цикл Сапожникова”.
В начале 60-х гг. ХХ в. еще два крупных научных центра в Германии и в США включились в разработку этих проблем. В 1970-е гг. одновременно в России и Германии были проведены исследования световой зависимости превращений ксантофиллов, и было показано отсутствие превращений при низких интенсивностях света, где отмечали сравнительно высокие значения фотосинтеза [1214]. Однако понимание этого феномена оказалось различным. Сопоставляя световые кривые превращения ксантофиллов и процесса фотосинтеза, Siefermann [13] пришли к выводу об отсутствии корреляций между этими процессами. Сапожников, получив аналогичные результаты, высказал предположение, что отсутствие видимых превращений ксантофиллов связано с балансовыми превращениями прямой и обратной реакций цикла. При использовании ингибитора обратной реакции салицилальдоксима (СА) это предположение подтвердилось, и было установлено, что прямая реакция цикла происходит при тех же интенсивностях света, что и процесс фотосинтеза [15]. Помимо СА были изучены и другие известные ингибиторы обратной реакции ВЦ – глутатион, аскорбат натрия и высокая температура (40°С) [16]. Таким образом, все факторы, тормозящие обратную реакцию цикла, позволили выявить одновременные изменения в содержании ксантофиллов и интенсивности фотосинтеза при низких освещенностях. Световые кривые реакции дезэпоксидации ВЦ оказались сходны со световыми кривыми фотосинтеза, что позволило ее считать частной реакцией фотосинтеза [17, 18]. Эта серия работ подтвердила основную идею Сапожникова о наличии циклических превращений в широком диапазоне освещенностей, даже при отсутствии визуальных изменений в содержании ксантофиллов. Следует отметить, что эти феноменологически сходные результаты работ русских и немецких исследователей привели к разной интерпретации и двум методологически и экспериментально разным направлениям последующих исследований. В России группа Сапожникова продолжала работать с циклическими взаимопревращениями, а интерес западных исследователей оказался сосредоточенным на понимании роли отдельных пигментов цикла.
В настоящее время в мире растений известны три ксантофилловых цикла: ВЦ (высшие растения, зеленые и бурые водоросли) [19]; диадиноксантиновый цикл (различные водоросли, кроме родофитов и криптофитов) [20]; лютеин-5,6-эпоксидный цикл (некоторые растения) [21]. Во всех трех циклах задействованы сходные циклические превращения ксантофиллов – реакции дезэпоксидации и эпоксидации. Как считают Demmig и Bjorkman [22], ксантофилловый цикл начал играть важную роль в регуляции превращения фотосинтетической энергии и предотвращения образования активных форм кислорода (АФК) уже на ранних этапах эволюции эукариот. Его включение в обменные процессы произошло конвергентно в разных линиях эукариот.
Таким образом, ВЦ, открытый Сапожниковым, в настоящее время активно изучается учеными разных стран мира.
Цель настоящей работы – рассмотреть современное состояние некоторых направлений исследования, в разработку которых на первых этапах их становления внес существенный вклад Д.И. Сапожников.

роль виолаксантинового цикла в жизнедеятельности растений
Одной из первых была гипотеза об участии пигментов ВЦ в реакциях, связанных с кислородным звеном фотосинтеза [2], которая разрабатывалась в течение многих лет. Сапожников предполагал, что фотосинтетический кислород на своем пути от воды до молекулярного кислорода проходит через Виол. Эпоксидные группы Виол участвуют в образовании кислорода, выделяющегося при фотосинтезе. Были получены многочисленные косвенные факты, поддерживающие эту гипотезу. Так, показано, что необходимым условием осуществления прямой реакции цикла является присутствие марганца – одного из главных компонентов (марганцевый кластер) в системе окисления воды ФС II [23]. Конформационные изменения белков, связанных с Виол, приводят к ингибированию реакции Хилла, что могло свидетельствовать о связи Виол с транспортом электронов в процессе фотоокисления воды [24]. В опытах с ингибиторами выделения кислорода при фотосинтезе, было обнаружено торможение превращений пигментов ВЦ [16, 25]. Выявлены различные механизмы реакции дезэпоксидации Виол в условиях аэробиоза и анаэробиоза [25]. С использованием изотопных меток показано, что при освещении клеток хлореллы 18О из Н2О включается во фракцию ксантофиллов [3, 26]. Однако Hager [27] предположил, что включение меченого кислорода в молекулу Виол могло быть уже после его освобождения в результате фотолиза воды.
Каротиноиды присутствуют в мембранах хлоропластов, где они выполняют ряд важнейших функций, связанных с поглощением световой энергии. Так, ксантофиллы ВЦ, как и другие каротиноиды, присутствующие в ССК, участвуют в антенной функции – поглощении световой энергии и ее передаче к хлорофиллу. Это связано со способностью этих пигментов, которые находятся в форме “all-trance”, переходить в синглетно-возбужденное состояние. ВЦ находится в минорных субъединицах ССК ФС II, которые служат каналами для стока энергии от внешнего ССК к реакционному центру Р680.
К уникальным функциям пигментов ВЦ относится их способность защищать фотосинтетический аппарат (ФА) от излишка энергии возбуждения при высокой интенсивности света. Эта гипотеза впервые была предложена в 1979 г. Krinsky [28] и получила дальнейшее развитие в работе Demmig и Bjorkmann, опубликованной в 1987 г. [22]. В защите ФА участвуют Зеа и Антер. Одним из путей их протекторного действия может быть синглет-сиглетный перенос энергии от возбужденных молекул хлорофилла к этим ксантофиллам [2931]. Это приводит к тушению флуоресценции хлорофилла и потере энергии возбуждения хлорофилла в виде тепла  нефотохимическое тушение флуоресценции (NPQ). Связанный с Зеа (Антер) процесс термальной диссипации в ССК обеспечивает превращение избытка поглощенной энергии в тепло еще до переноса энергии возбуждения в реакционный центр P680 и защищает его от гибели.
Пигменты ВЦ способны к тушению возбужденного триплетного состояния хлорофилла и АФК. Предполагается прямое энергетическое взаимодействие Виол и Зеа с хлорофиллом [31]. Ксантофилловый цикл играет важную роль в регуляции распределения энергии между Виол, Зеа и хлорофиллом а. При освещении тилакоидов часть содержащихся в них каротиноидов переходит в высоко энергетическое, возбужденное состояние, которое дезактивируется в безызлучательном процессе [32]. Однако каротиноиды могут переходить в это состояние не в результате прямого действия возбуждающего света, а только при взаимодействии с сенсибилизатором (хлорофиллом), находящимся в триплетном состоянии [33]. Показана возможность передачи энергии от триплетно возбужденного хлорофилла на каротиноиды, в том числе и пигменты ВЦ. Тушение хлорофилла в триплетном состоянии предотвращает образование сильнейшего окислителя – синглетного кислорода 1О2. Этот “опасный” кислород также может быть эффективно дезактивирован каротиноидами [28, 34]. Дезактивирующая способность пигментов ВЦ получила название “антиоксидантная функция”. Установлено, что действие Зеа как антиоксиданта происходит в липидной фазе тилакоидной мембраны или в фазе белок–липид [35, 36].
Если у большинства авторов феномен NPQ связан только с двумя пигментами цикла (Зеа и Антер), то, по представлениям других, в этом процессе задействованы все пигменты цикла [37, 38]. Так, ксантофилловый цикл рассматривается как аллостерический регулятор NPQ, причем Зеа выступает как активатор NPQ, а Виол – как его ингибитор.
На основании результатов, полученных при работе с изолированными хлоропластами, исследователи сформулировали гипотезу, согласно которой ВЦ может быть частью регуляторной системы процесса фотосинтеза [7, 39]. Известно, что для осуществления реакций дезэпоксидации и эпоксидации требуются различные условия. Реакции цикла проходят по разным сторонам мембраны, и для согласованной работы необходимы трансмембранные переносчики. Это означает, что ВЦ включен в систему реакций, которые изменяют соотношение АТФ/НАДФН2 и таким образом регулируют процессы, связанные с транспортом электронов в хлоропластах.
В настоящее время придается большое значение “структурной функции” каротиноидов. Показано, что пигменты ВЦ могут быть включены в регуляцию динамики молекулярной структуры мембран [40] и более значимо, по сравнению с другими каротиноидами, влияют на их термодинамические параметры [41].
Анализ различных гипотез о роли пигментов ВЦ в жизнедеятельности растений показывает, что первые представления Сапожникова о полифункциональности цикла в процессах и структурах, связанных с фотосинтезом, оказались перспективными и получили подтверждение и многогранное развитие в последующих исследованиях.

Структурно-функциональная организация и гетерогенность пигментов виолаксантинового цикла в тилакоидах хлоропластов
Еще в 1921 г. Любименко высказал гипотезу об особом (в комплексе с белком) состоянии пигментов в пластидах [42, 43], которая получила развитие в работах Сапожникова. Связи пигментов с белками и липидами в хлоропластах рассматривались автором как биологическое приспособление, которое выработалось в ходе эволюции у первых автотрофных организмов. Особое внимание Сапожников уделял способности не только хлорофиллов, но и каротиноидов образовывать комплексы с высокомолекулярными соединениями, а также характеру и прочности этой связи [44]. Это направление исследований составило основу при изучении структурно-функциональной организации пигментбелковых комплексов в тилакоидах хлоропластов и тесно связано с проблемой гетерогенности пигментов.
Как показали современные исследования, организация ксантофиллов, участвующих в ВЦ, довольно сложна и динамична. Установлено, что бóльшая часть пигментов цикла находится в хлорофиллбелковом ССК тилакоидов мембраны и локализована в ее липидной части [19, 45, 46]. Литературные данные о состоянии пигментов в мембранах достаточно противоречивы. Так, в работах ряда авторов показано, что большинство пигментов ВЦ связано с антенными белками [47], а другие исследователи отмечали их нахождение в мембране в свободном состоянии и их способность быстро связываться с белками [48]. Ведущая роль в образовании этих связей отводится галактолипидам, которые могут вызывать агрегацию [49] и встраиваться в липидный слой мембраны, что обеспечивает высвобождение Виол, активацию ВДЭ и способствует дезэпоксидации [50]. Эти процессы могут зависеть от состояния изомеризации ксантофиллов. При высокой освещенности отмечается увеличение содержания цис-форм Виол, что приводит к переходу этого пигмента в связанное с белками состояние и его дезактивации, а накопление в этих условиях “all-trans” форм Зеа [51] приводит к их переходу в свободное состояние и активизации процесса NPQ [38].
Гетерогенность каротиноидов была впервые выявлена при изучении их связи с белковолипидным комплексом хлоропластов [52]. В 1969 г. была установлена гетерогенность Виол по фотохимической активности [53]. В опытах с одновременным изучением содержания пигментов ВЦ и скорости выделения кислорода было отмечено отсутствие корреляции между начальной скоростью выделения О2 и количеством Виол [54]. Авторы объяснили это присутствием “неактивного виолаксантина”, содержание которого составило около 20% от его максимального значения. При проведении опытов в стрессовых условиях обнаружено, что степень превращения Виол в Зеа зависит от силы стресса, и количество Зеа (+ Антер) прямо коррелирует с величиной NPQ. Однако, даже в этих условиях количество “непревращенного” в Зеа Виол составляло около 2050% [55]. Вопрос о природе “недоступной” фракции пигмента остается дискуссионным. Предполагается, что эта фракция Виол может быть недоступна действию ВДЭ по причине его сильной связи с белками [56] или нахождении в состоянии цис-формы [57]. Имеются данные, что процесс дезэпоксидации Виол может лимитироваться образующимся Зеа по принципу обратной связи или ламеллярными перестройками мембраны [48]. Гетерогенность была обнаружена и у второго участника ВЦ – Зеа, часть которого не участвовала в обратной реакции цикла [58]. При этом происходило накопление его метаболита, вторичного каротиноида – родоксантина (продукта неферментативного окисления Зеа). Его появление отмечали в хвое вечнозеленого растения (туи) в зимний период (декабрь–март). Вероятно, функция родоксантина заключается в создании своеобразного светового фильтра при высокой освещенности в зимний период. Вопросы локализации и функционирования пигментов ВЦ в настоящее время активно развиваются, и появляющиеся новые данные подтверждают и расширяют представления Сапожникова.

ферменты виолаксантинового цикла –
уникальные растительные белки
Через год после открытия цикла Сапожников и Бажанова воспроизвели цикл реакций в опытах с изолированными хлоропластами и высказали предположение, что в зеленых листьях имеются ферментные системы, регулирующие соотношения ксантофиллов цикла [59].
По современным представлениям, ферменты ВЦ – уникальные структуры среди всех белков, участвующих в жизнедеятельности растений. Ферменты цикла – ВДЭ и ЗЭ – два из 6 известных растительных липокалиновых белков. В литературе описаны функции только этих двух растительных белков [60]. Липокалины – это группа транспортных белков, способных связывать и переносить небольшие гидрофобные молекулы (например, ксантофиллы).
ВДЭ локализована в люмене, и ее активность зависит от величины pH. Максимальная активность отмечается при pH 5.05.8 [61] и зависит от концентрации аскорбата как кофактора превращения Виол [62]. Протонированная форма аскорбата (ASCH) является эндогенным донором электронов и протонов в реакции дезэпоксидации и активации ВДЭ. При оптимальном pH ВДЭ связывается со структуро-формирующим липидом тилакоида  моногалактозилдиацилглицеролом (MGDG), и эта структура способствует сборке Виол в мицеллы, которые по своим структурным или химическим особенностям делают Виол доступным для ВДЭ. В настоящее время твердо установлено, что ВДЭ проявляет активность только к субстрату, находящемуся в “all-trans” конфигурации [63].
В отличие от ВДЭ, активность второго фермента цикла – ЗЭ, является в большей степени конститутивной [47]. Этот фермент расположен в строме, его максимальная активность при pH 7.07.5. ЗЭ является монооксигеназой, и основным условием ее активности является наличие НАДФН. Показано, что активность ВЦ не лимитируется количеством ферментов.
Превращения Виол в Зеа происходят в течение 1030 мин как in vivo, так и in vitro. Регуляция активности ВДЭ с помощью рН люмена происходит так, что накопление Зеа отмечается только при насыщающей интенсивности света в условиях in vivo. При низкой интенсивности света (или в темноте) Зеа при участии ЗЭ превращается в Виол. Реакции эпоксидации идут в 510 раз медленнее, чем реакции дезэпоксидации [64]. При экстремальных условиях окислительного стресса предполагается возможность регуляции активности ЗЭ по принципу обратной связи [65].

Участие виолаксантинового цикла в адаптации растений к условиям произрастания
Исследованию условий, обеспечивающих активное функционирование цикла, посвящено большое число работ исследовательской группы Сапожникова [54], включающих различные направления. Изучено влияние разных факторов на ход реакций ВЦ. Исследована световая зависимость и установлен световой порог для прямой реакции цикла. Показано, что действие света является опосредованным, так как реакции цикла проходят при освещении растений красным светом (ближним и дальним), который поглощается хлорофиллами, а затем передается на ксантофиллы. Выявлена зависимость реакций ВЦ от температуры, содержания углекислого газа, кислорода, ионов марганца, метаболитов. Исследовано становление цикла в процессе зеленения этиолированных проростков.
Выявленные зависимости функционирования ВЦ от внешних факторов способствовали расширению экологических исследований и явились продолжением классических работ Любименко по “светолюбию” и теневыносливости растений, в характеристике которых стали учитывать не только хлорофиллы, но и каротиноиды. В естественных условиях произрастания растения часто подвергаются различным стрессовым воздействиям (высокой и низкой температуры, водного дефицита, условий засоления и др.), а в сочетании с высокой освещенностью это приводит к фотоингибированию и фотоповреждению ФА. Механизмы, предотвращающие фотоповреждение, включают, в том числе, и диссипацию избыточно поглощенной энергии с участием пигментов ВЦ. В современных экологических исследованиях часто используется термин “состояние эпоксидации”, которое рассчитывается как соотношение: (Z + 0.5 A)/(V + A + Z), где Z – Зеа, V – Виол, A – Антер.
Экологические работы по изучению ВЦ проводятся в разных странах мира, в том числе и рядом отечественных исследователей на растениях разных климатических зон. Так, в работе группы Головко [66], проведенных на вечнозеленых растениях таежной зоны, была выявлена высокая положительная корреляция между активностью пигментов ВЦ и величиной NPQ в ранне-весенний период. В опытах на эфемероидах [67] также была обнаружена высокая активность пигментов ВЦ, что связано с необходимостью более эффективной фотодинамической защиты ФА у этой экологической группы растений. В работе, выполненной на высокогорных растениях, растущих в экстремальных климатических условиях (при высокой освещенности, низкой температуре, коротком вегетационном периоде) [68], было показано, что они устойчивы к фотоингибированию, но имеют разные стратегии адаптации: первая – активизация NPQ с участием пигментов ВЦ, вторая – без изменений функциональных параметров ФА и содержания пигментов. Аналогичные данные были получены на галофитах, которые также показали высокую устойчивость к засолению при высокой освещенности и разные стратегии адаптации [69]. Однако на гликофитах было показано, что если сам солевой стресс не вызывал фотоингибирования, то в сочетании с высокой освещенностью отмечалось фотоповреждение [70]. Особое место в группе галофитов занимают морские травы, у которых в условиях избыточной освещенности интенсивность NPQ связана с участием двух ксантофиллов – Антер и Зеа, что обеспечивает сохранность ФА в широком диапазоне нестабильной освещенности в условиях их произрастания [71]. Таким образом, экологическое направление исследований показало различные пути эволюционной адаптации растений с участием пигментов ВЦ.

Заключение
Со времени открытия ВЦ прошло почти 60 лет и высказывания Сапожникова об универсальности цикла в мире растений были подтверждены последующими работами. Современные данные о структурно-функциональной организации и гетерогенности пигментов ВЦ в мембранах тилакоидов хлоропластов, открытия в области химии и регуляции активности ферментов цикла расширяют представления о полифункциональности ВЦ и его отдельных реакций. В процессе адаптации растений к экстремальным условиям среды, где ведущим фактором является высокая освещенность, большая роль отводится пигментам ВЦ. Наряду с интенсивно разрабатываемыми в мире направлениями исследований, которые являются либо прямым продолжением идей Сапожникова, либо были инициированы его работами, остаются блоки работ, которые еще не получили развития на современном этапе. Это, прежде всего, уникальные данные о становлении ВЦ в процессе зеленения этиолированных растений, которые вносят существенный вклад в представления о связи становления цикла и структуры ФА [72, 73]. Перспективным для понимания регуляторной деятельности ВЦ могут быть измерения скоростей отдельных реакций, входящих в цикл.
В работе группы Сапожникова были выявлены два режима работы ВЦ. Первый режим: скорости прямой и обратной реакций сбалансированы и отсутствуют изменения в содержании пигментов. Это состояние работы ВЦ было обнаружено при низкой освещенности на восходящей части световой кривой фотосинтеза [15, 54]. При нарушении работы ВЦ (применение ингибиторов обратной реакции) световые кривые фотосинтеза и прямой реакции ВЦ оказались сходными [15, 16]. Эти результаты имеют принципиальное значение для понимания работы цикла и являются наиболее существенным вкладом группы Сапожникова в представления о роли ВЦ в процессе фотосинтеза.
Второй режим: скорость прямой реакции цикла превышает скорость обратной, что сопровождается увеличением содержания Зеа. Внимание современных исследователей сосредоточено на втором режиме, когда при высокой напряженности факторов среды, например, при высокой освещенности, ВЦ приходится работать в стрессовых условий, и ведущей становится его защитная функция. В этих условиях выявляются процессы фотозащиты и фотоповреждения, которые сопровождаются изменениями в содержании пигментов ВЦ и увеличением NPQ [31]. Однако в этих условиях не рассматривается работа цикла, а изучаются лишь его отдельные, хотя и важные свойства – тушение синглетного и триплетного возбужденных состояний хлорофиллов за счет диссипации избыточно поглощенной световой энергии. Большое внимание при этом уделяется антиоксидантной функции пигментов ВЦ. В настоящее время это направление исследований становится все более актуальным в связи с усилением нестабильности климата в период активной вегетации растений практически во всех климатических зонах.
В литературе формируются представления, что ВЦ включен в систему регуляторных реакций, связанных с транспортом электронов в ФС II хлоропластов [37, 38]. Донорная сторона ЭТЦ ФС II включает ряд окислительно-восстановительных реакций, приводящих к фотоокислению воды и выделению молекулярного кислорода, в которых ведущая роль отводится марганцевому кластеру. Ранее было показано [23], что необходимым условием реакции дезэпоксидации является присутствие марганца. Эти данные свидетельствуют о том, что ВЦ участвует в процессах, сопряженных с выделением кислорода. Однако в современных моделях, описывающих процесс фотолиза воды, ВЦ как компонент “водоокисляющей” системы ФС II не рассматривается [74]. Анализ наших и литературных данных дает основание предположить, что ВЦ может играть регуляторную роль на донорной стороне ЭТЦ в системе фотолиза воды, обеспечивая “отвод”, а в случае стресса и утилизацию молекулярного кислорода или его производных. Эта гипотеза согласуется с представлениями Hager [27] о возможности включения освобожденного в результате фотолиза воды молекулярного кислорода в молекулу Виол и с представлениями Сапожникова о работе цикла в широком диапазоне условий, где происходит фотосинтез и осуществляется нормальная жизнедеятельность растений. Эта гипотеза на новом этапе экспериментальных исследований поддерживает представления Сапожникова об универсальности ВЦ в мире автотрофных организмов.
Авторы благодарны О.А. Семихатовой за помощь при написании статьи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Сапожников Д.И. Эволюция фотосинтеза // Сов. ботаника. 1939. № 5. С. 100-112.
2.Сапожников Д.И. К вопросу о механизме фотосинтеза в свете его эволюции // Тр. БИН АН СССР. Сер. 4, Экспериментальная ботаника. 1951. № 8. С. 106-139.
3.Dorough C.D., Calvin M. The Path of Oxygen in Photosynthesis // J. Am. Chem. Soc. 1951. V. 73. P. 2362-2365.
4.Сапожников Д.И., Бронштейн И.А., Красовская Т.А. Применение метода бумажной хроматографии для анализа пигментов пластид зеленого листа // Биохимия. 1955. Т. 20. № 3. С. 286-291.
5.Сапожников Д.И., Красовская Т.А., Маевская А.Н. Изменение соотношения основных каротиноидов пластид зеленых листьев при действии света // Докл. АН СССР. 1957. Т. 113. № 2. С. 465-467.
6.Сапожников Д.И., Эйдельман З.М., Бажанова Н.В. К вопросу об участии каротиноидов в процессе фотосинтеза // Тр. БИН АН СССР. Сер. 4, Экспериментальная ботаника. 1962. № 15. С. 43-52.
7.Hager A., Perz H. Veranderung der Lichtabsobtion eines Carotinoids in Ensym (Desepoxidase) – Substrate (Violaxanthin) – Complex // Planta. 1970. V. 93. P. 314-322.
8.Siefermann D., Yamamoto H.Y. Light Induced De-Epoxidation of Violaxanthin in Lettuce Chloroplasts. III. Reaction Kinetics and Effect of Light Intensity on De-Epoxidase Activity and substrate Availability // Biochim. Biophys. Acta. 1974. V. 357. P. 144-150.
9.Pfundel E.E., Bilger W. Regulation and Possible Function of Violaxanthin Cycle // Photosynth. Res. 1994. V. 42. P. 89-109.
10.Eskling M., Arvidsson P.O., Akerlund H.E. The Xanthophyll Cycle, Its Regulation and Components // Physiol. Plant. 1997. V. 100. P. 806-816.
11.Latowski D., Kostecka-Gugała A., Strzałka K. Effect of the Temperature on Violaxanthin De-Epoxidation: Comparison of the In Vivo and Model Systems // Russ. J. Plant Physiol. 2003. V. 50. P. 173-177.
12.Попова И.А., Рыжова Е.Ф., Сапожников Д.И. Некоторые особенности реакции дезэпокисадии виолаксантина // Докл. АН СССР. 1971. Т. 201. № 2. С. 494-496.
13.Siefermann D. Uber den Zusammenhang von Xanthophyll-cyclus und Photosynthese bei Lemna gibba L.: PhD Diss. Tübingen: Eberhard Karls Universität, 1973. 83 p.
14.Сапожников Д.И., Габр М.А., Маслова Т.Г. О положении светового порога реакции дезэпоксидации виолаксантина в листьях светолюбивых и теневыносливых растений // Бот. журн. 1973. Т. 58. С. 1205-1209.
15.Сапожников Д.И., Попова И.А., Рыжова Е.Ф. Действие салицилальдоксима на световую зависимость реакций виолаксантинового цикла // Докл. АН СССР. 1973. Т. 207. № 6. С. 1290-1292.
16.Маслова Т.Г., Королева О.Я., Зеленский М.И., Габр М.А., Сапожников Д.И. Торможение выделения кислорода в процессе фотосинтеза при нарушении виолаксантинового цикла // Физиология растений. 1978. Т. 25. С. 91-96.
17.Sapozhnikov D.I. Investigation of the Violaxanthin Cycle // Pure Appl. Chem. 1973. V. 35. P. 47-61.
18.Сапожников Д.И., Габр М.А., Маслова Т.Г. Действие анаэробиоза и некоторых метаболитов на реакции виолаксантинового цикла в листьях растений // Физиология растений. 1976. Т. 23. С. 31-35.
19.Siefermann-Harms D. Carotenoids in Photosynthesis. I. Location in Photosynthetic Membranes and Light-Harvesting Function // Biochim. Biophys. Acta. 1985. V. 811. P. 325-355.
20.Stransky H., Hager A. Carotenoid Pattern and Occurrence of Light Induced Xanthophyll Cycle in Various Classes of Algae // Arch. Mikrobiol. 1970. V. 73. P. 315-323.
21.García-Plazaola J.I., Matsubara S., Osmond C.B. The LuteinEpoxide Cycle in Higher Plants: Its Relationships to Other Xanthophyll Cycles and Possible Functions // Funct. Plant Biol. 2007. V. 34. P. 759-773.
22.Demmig B., Bjorkman O. Comparison of the Effect of Excessive Light on Chlorophyll Fluorescence (77K) and Photon Yield of O2 Evolution in Leaves of Higher Plants // Planta. 1987. V. 171. P. 171-184.
23.Сапожников Д.И., Сахарова О.В. Значение марганца для осуществления световой реакции превращения ксантофиллов // Докл. АН СССР. 1964. Т. 157. № 6. С. 1480-1482.
24.Radunz A., Schmid G. On the Localization of the Xanthophylls in the Thylakoid Membrane // Ber. Dtsch. Bot. Ges. 1979. V. 92. P. 437-443.
25.Сапожников Д.И., Иванцова Л.В., Маслова Т.Г. К вопросу о существовании двух типов реакций фотохимической дезэпоксидации виолаксантина в листьях зеленых растений // Докл. АН СССР. 1969. Т. 189. № 5. С. 1135-1138.
26.Сапожников Д.И., Кутюрин В.М., Маслова Т.Г., Улубекова М.В., Назаров Н.М., Артамкина И.Ю., Семенюк К.Г. О кислородном обмене ксантофиллов в связи с их ролью в процессе фотосинтеза растений // Докл. АН СССР. 1967. № 5. C. 1182-1185.
27.Hager A. Reversible, Light-Induced Conversion of Xanthophylls in Chloroplasts // Ber. Dtsch. Bot. Ges. 1975. V. 88. P. 27-44.
28.Krinsky N.I. Carotenoid Protection against Oxidation // Pure Appl. Chem. 1979. V. 51. P. 649-660.
29.Demmig-Adams B., Adams W.W. Photoprotection and Other Responses of Plants to High Light Stress // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1992. V. 43. P. 599-626.
30.Gilmore A.M. Mechanistic Aspects of Xanthophyll Cycle-Dependent Photoprotection in Higher Plant Chloroplasts and Leaves // Physiol. Plant. 1997. V. 99. P. 197-209.
31.Ладыгин В.Г., Ширшикова Г.Н. Современные представления о функциональной роли каротиноидов в хлоропластах эукариот // Журн. общ. биологии. 2006. Т. 67. С. 163-189.
32.Wolf Ch., Witt H.T. On Metastable States of Carotenoids in Primary Events of Photosynthesis // Z. Naturforsch. 1969. V. 24. P. 1031-1037.
33.Mathis P., Kleo J. The Triplet State of -Carotene and of Analog Polyenes of Different Length // Photochem. Photobiol. 1973. V. 18. P. 343-346.
34.Havaux M., Niyogi K.K. The Violaxanthin Cycle Protects Plants from Photooxidative Damage by More than One Mechanism // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1999. V. 96. P. 8762-8767.
35.Havaux M., Dall'Osto L., Bassi R. Zeaxanthin Has Enhanced Antioxidant Capacity with Respect to All Other Xanthophylls in Arabidopsis Leaves and Functions in Dependent of Binding to PSII Antennae// Plant Physiol. 2007. V. 145. P. 1506-1520.
36.Johnson M.P., Havaux M., Triantaphyllides C., Ksas B., Pascal A.A., Robert B., Davison P.A., Ruban A.V., Horton P. Elevated Zeaxanthin Bound to Oligomeric LHCII Enhances the Resistance of Arabidopsis to Photooxidative Stress by a Lipidprotective, Antioxidant Mechanism // J. Biol. Chem. 2007. V. 282. P. 22 605-22 618.
37.Horton P., Ruban A.V., Wentworth M. Allosteric Regulation of the Light-Harvesting System of Photosystem II // Trans. R. Soc. London. 2000. V. 355. P. 1361-1370.
38.Horton P., Wentworth M., Ruban A. Control of the Light Harvesting Function of Chloroplast Membranes: the LHC II-Aggregation Model for Non-Photochemical Quenching // FEBS Lett. 2005. V. 579. P. 4201-4206.
39.Niogi K.K., Grossman A.R., Bjorkman O. Arabidopsis Mutants Define a Central Role for the Xanthophyll Cycle in the Regulation of Photosynthetic Energy Conversion // Plant Cell. 1998. V. 10. P. 1121-1134.
40.Gruszecki W.I., Strzałka K. Carotenoids as Modulators of Lipid Membrane Physical Properties // Biochim. Biophys. Acta. 2005. V. 1740. P. 108-115.
41.Kostecka-Gugała A., Latowski D., Strzalka K. Termotropic Phase Behaviour of α-Dipalmitoylphosphatitylcholine Multibilayers Is Influenced to Various Extents by Carotenoids Containing Different Structural Features – Evidence from Differential Scanning Calorimetry // Biochim. Biophys. Acta. 2003. V. 1609. P. 193-202.
42.Любименко В.Н. О связи хлорофилла с белками // Дневник I Всерос. съезда русских ботаников в Петрограде в 1921 г. 1921. 45 с.
43.Любименко В.Н. Исследование пигментов пластид. О связи хлорофилла с белками пластид // Изв. АН СССР. Сер. 6, Биология. 1923. Т. 17. С. 129-148.
44.Сапожников Д.И., Маслова Т.Г., Бажанова Н.В. О состоянии пигментов в листьях // Тр. БИН АН ССР. 1962. Сер. 4, Экспериментальная ботаника. № 15. С. 53-64.
45.Liu Z., Yan H., Wang K., Kuang T., Zhang J., Gui L., An X., Chang W. Crystal Structure of Spinach Major Light-Harvesting Complex at 2.72 Å Resolution // Nature. 2004. V. 428. P. 287-292.
46.Standfuss R., van Scheltinga A.C.T., Lamborghini M., Kuhlbrandt W. Mechanisms of Photoprotection and Nonphotochemical Quenching in Pea Light-Harvesting Complex at 2.5 Å Resolution // EMBO J. 2005. V. 24. P. 919-928.
47.Jahns P., Latowski D., Strzałka K. Mechanism and Regulation of the Violaxanthin Cycle: The Role of Antenna Proteins and Membrane Lipids // Biochim. Biophys. Acta. 2009. V. 1787. P. 3-14.
48.Szilagyi A., Sommarin M., Åkerlund H.E. Membrane Curvature Stress Controls the Maximal Conversion of Violaxanthin to Zeaxanthin in the Violaxanthin Cycle – Influence of Tocopherol, Cetylethers, Linolenic Acid, and Temperature // Biochim. Biophys. Acta. 2007. V. 1768. P. 2310-2318.
49.Andersson U., Heddad M., Adamska I. Light Stress-Induced One-Helix Protein of the Chlorophyll a/b-Binding Family Associated with Photosystem I // Plant Physiol. 2003. V. 132. P. 811-820.
50.Simidjiev I., Stoylova S., Amenitsch H., Javorfi T., Mustardy L., Laggner P., Holzenburg A., Garab G. Self-Assembly of Large Ordered Lamellae from Non-Bilayer Lipids and Integral Membrane Proteins In Vitro // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2000. V. 97. P. 1473-1476.
51.Grudzinski W., Matula M., Sielewiesiuk J., Kernen P., Krupa Z., Gruszecki W.I. Effect of 13-cis Violaxanthin on Organization of Light Harvesting Complex II in Monomolecular Layers // Biochim. Biophys. Acta. 2001. V. 1503. P. 291-302.
52.Deroche M.E., Costes C. Heterogenity of Carotenoids in Chloroplasts // Prog. Photosynth. Res. 1969. V. 11. P. 681-693.
53.Сапожников Д.И., Корнюшенко Г.А. О гетерогенности виолаксантина в листьях гороха // Физиология растений. 1969. Т. 16. С. 1038-1041.
54.Маслова Т.Г., Попова И.А., Корнюшенко Г.А., Королева О.Я. Развитие представлений о функциях виолаксантинового цикла в фотосинтезе // Физиология растений. 1996. Т. 43. С. 437-449.
55.Gilmore A.M., Mohanty N., Yamamoto H.Y. Epoxidation of Zeaxanthin and Antheraxanthin Reverses Non-Photochemical Quenching of Photosystem II Chlorophyll a Fluorescence in the Presence of Trans-Thylakoid pH // FEBS Lett. 1994. V. 350. P. 271-274.
56.Ruban A.V., Pascal A., Lee P.J., Robert B., Horton P. Molecular Configuration of Xanthophyll Cycle Carotenoids in Photosystem II Antenna Complexes // Biol. Chem. 2002. V. 77. P. 42 937-42 942.
57.Latowski D., Åkerlund H.E., Strzałka K. Violaxanthin De-Epoxidase, the Xanthophyll Cycle Enzyme, Requires Lipid Hexagonal Structures for Its Activity // Biochemistry. 2004. V. 43. P. 4417-4420.
58.Маслова Т.Г., Мамушина Н.С., Шерстнева О.А., Буболо Л.С., Зубкова Е.К. Структурно-функциональные изменения фотосинтетического аппарата у зимневегетирующих хвойных растений в различные сезоны года // Физиология растений. 2009. Т. 56. С. 672-681.
59.Сапожников Д.И., Бажанова Н.В. К характеристике световой реакции в изолированных хлоропластах // Докл. АН СССР. 1958. Т. 120. № 5. С. 1141-114.
60.Hieber A.D., Bugos R.C., Yamamoto H.Y. Plant Lipocalins: Violaxanthin De-Epoxidase and Zeaxanthin-Epoxidase // Biochim. Biophys. Acta. 2000. V. 1482. P. 84-91.
61.Jahns P., Heyde S. Dicyclohexylcarbodiimide Alters the pH Dependence of Violaxanthin De-Epoxidation // Planta. 1999. V. 207. P. 393-400.
62. Bratt C.E., Arvidsson P.O., Carlsson M., Åkerlund H.E. Regulation of Violaxanthin Deepoxidase Activity by pH and Ascorbate Concentration // Photosynth. Res. 1995. V. 45. P. 169-175.
63.Yamamoto H.Y. Biochemistry of the Violaxanthin Cycle in Higher Plants // Pure Appl. Chem. 1979. V. 51. P. 639-648.
64.Härtel H., Lokstein H., Grimm B., Rank B. Kinetic Studies on the Xanthophyll Cycle in Barley Leaves (Influence of Antenna Size and Relations to Nonphotochemical Chlorophyll Fluorescence Quenching) // Plant Physiol. 1996. V. 110. P. 471-482.
65.Reinhold C., Niczyporuk S., Beran K.C., Jahns P. Short-Term Down-Regulation of Zeaxanthin Epoxidation in Arabodopsis thaliana in Response to Photo-Oxidative Stress Conditions // Biochim. Biophys. Acta. 2008. V. 1777. P. 462-469.
66.Яцко Я.Н., Дымова О.В., Головко Т.К. Дезэпоксидация пигментов виолаксантинового цикла и тепловая диссипация световой энергии у трех бореальных видов вечнозеленых хвойных растений // Физиология растений. 2011. Т. 58. С. 140-143.
67.Маслова Т.Г., Мамушина Н.С., Зубкова Е.К., Войцеховская О.В. Особенности пигментного аппарата пластид и фотосинтеза в листьях эфемероидов и летневегетирующих растений в связи с проблемой фотоингибирования // Физиология растений. 2003. Т. 50. С. 59-64.
68.Streb P., Shang W., Feierabent J., Bligny R. Divergent Strategies of Photoprotection in High Mountain Plants // Planta.1998. V. 207. P. 313-324.
69.Lu C., Jiang G., Wang B., Kuang T. Photosystem II Photochemistry and Photosynthetic Pigment Composition in Salt-Adapted Halophyte Artemisia anethifolia Grown under Outdoor Conditions // J. Plant Physiol. 2003. V. 160. P. 403-408.
70.Larcher W., Wagner J., Thammathaworn A. Effects of Superimposed Temperature Stress on In Vivo Chlorophyll Fluorescence of Vigna unguiculata under Saline Stress // J. Plant Physiol. 1990. V. 136. P. 92-102.
71.Ralph P.J., Polk S.M., Moore K.A., Orth R.J., Smith W.O., Jr. Operation of the Xanthophyll Cycle in the Seagrass Zostera marina in Response to Variable Irradiance // J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 2002. V. 71. P. 189-207.
72.Попова О.Ф. Становление темновой реакции превращения ксантофиллов при зеленении этиолированных проростков кукурузы // Бот. журн. 1968. Т. 53. С. 978-982.
73.Попова О.В., Эйдельман З.М. О превращении ксантофиллов в процессе зеленения пластиды // Докл. АН СССР. 1976. Т. 175. № 6. С. 1407-1409.
74.Nelson N., Yocum Ch. Structure and Function of Photosystems I and II // Annu. Rev. Plant Biol. 2006. V. 57. P. 521-565.