Xanthophyll Cycle in the Light of Thylakoid Membrane Lipids - Membrane Packing, Curvature Elastic Stress and Enzyme Binding

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Fotosyntetiska membraner utsätts för stress vid höga ljusintensiteter och skador kan lätt uppstå. En av de viktigaste skyddande substanserna i växter är karotenoiden zeaxantin. Zeaxantin bildas från violaxantin i xantofyllcykeln och bildningen katalyseras av enzymet violaxantin de-epoxidas (VDE). I aktiv form är enzymet bundet till det fotosyntetiska membranet (tylakoidmembranet). Enzymet kräver lågt pH, askorbinsyra (vitamin C) och en speciell lipid, monogalactosyldiacylglycerol (MGDG). Produkten zeaxantin har olika funktioner. Den viktigaste är att delta i skyddet av fotosyntesmaskineriet mot överskott av ljus. Bildningen av zeaxantin har också föreslagits kunna påverka rörligheten hos komponenter i tylakoidmembranet och är en av de centrala frågorna som jag behandlar i denna avhandling. VDE har molekylvikten 43 kDa och är löslig i tylakoidernas inre (lumen) vid högt pH. Vid höga ljusintensiteter och därigenom mycket aktiv fotosyntes sjunker pH i lumen, VDE ändrar sin form och binder till membranet. Bindningen till membranet är avgörande för aktiviteten eftersom violaxantin befinner sig i membranet. I arbete I visar vi, med hjälp av riktad mutagenes, att fyra konserverade hisitidiner i VDE är väsentliga för det starka pH beroende enzymet har för sin inbindning till membranet. I arbete II har vi studerat hur aktiviteten hos VDE påverkas av lipidernas packning i tylakoidmembranet. MGDG är en lipid som krävs för enzymets aktivitet men dess närvaro i membranet leder till inre spänningar i membranet. Genom att tillsätta substanser som ökar eller minskar spänningarna i membranet har vi kraftigt påverkat graden av omvandling av violaxantin. Ju mer spänningar desto mer violaxantin gick att omvandla. Vår slutsats är att VDE kräver spänningar i membranet för att fungera. Zeaxantin med sin utökade hydrofoba längd föreslogs göra membranet tätare och hjälpa till att minska spänningarna. I arbete III visar vi för första gången att packning och rörlighet i tylakoidmembran kan studeras med hjälp av en fluorescerande substans, laurdan. Laurdan ändrar sina fluorescensegenskaper när dess egen och närmaste vattenmolekylers rörelse minskar. I detta arbete har vi kunnat visa att violaxantin, zeaxantin och ?-tocopherol alla gör membranet mindre rörligt men att zeaxantin är effektivast. Omvandlingen av violaxantin kan nu ses i ett vidare perspektiv. Eftersom växter ofta utsätts för värme samtidigt som de utsätts för hög ljusintesitet ger bildningen av zeaxantin inte bara skydd av fotosyntesmaskineriet utan kan också hjälpa till att stabilisera membranstrukturen.