Význam cis-trans izomerů karotenoidů ve fotosyntéze vyšších rostlin

Mgr. Marie KARLICKÁ

Master's thesis

The Importance of Cis-trans Carotenoids in the Photosynthesis of Higher Plants

Abstract:

Karotenoidy jsou významnými pigmenty fotosyntetického aparátu všech fotosyn-tetizujících organismů. V procesech fotosyntézy pak plní dvě hlavní funkce, a to funkci světlosběrnou a fotoprotektivní. Díky přítomnosti konjugovaného systému dvojných vazeb ve své molekule mohou tvořit geometrické izomery, tzv. stereoizomery, nazývané all-trans a cis izomery. Obecně se předpokládalo, že v biologických systémech se přirozeně vyskytují pouze all-trans izomery karotenoidů, neboť cis izomery jsou nestabilní. Přesto byly cis izomery postupně nalezeny ve fotosyntetickém aparátu všech fotosyntetizujících organismů. Jejich úloha ve fotosyntéze je předmětem zkoumání a zdá se, že je rozdílná od úlohy all-trans izomerů. Existuje dokonce teorie předpokládající, že právě stereoizomerie karotenoidu předurčuje jeho schopnost plnit jednu z výše jmenovaných funkcí. Cílem práce bylo prozkoumat pro nás dosud spíše neznámou problematiku stereoizomerie karotenoidů v rámci fotosyntézy vyšších rostlin a zavést v naší laboratoři aplikovatelné metody jejího studia. Dílčím cílům odpovídá níže uvedený obsah práce. V práci jsou popsány základní vlastnosti karotenoidů, jejich struktura, stereoizomerie a spektroskopie. Zvláštní důraz je kladen na popis elektronických energetických stavů, možnosti přechodů mezi nimi a jejich podílu na funkci světlosběrné a fotoprotektivní. Tyto dvě funkce karotenoidů jsou rozebrány také z pohledu jejich stereoizomerie. Dále je popsána struktura dvou vybraných pigment-proteinových komplexů, LHCII a RC PSII, se zaměřením na přítomnost cis-trans izomerů karotenoidů a jejich roli v komplexech. V závěru Teoretické části jsou zmíněny často užívané metody studia stereoizomerie karotenoidů, a to absorpční a Ramanova rezonanční spektroskopie, a možnosti chromatografické separace stereoizomerů. Metody absorpční spektroskopie a chromatografické separace stereoizomerů karotenoidů byly využity v Experimentální části. Byla zavedena metoda jod-senzitivní fotoizomerizace luteinu a ?-karotenu. Při ní se směs luteinu resp. ?-karotenu s jodem v benzenu ozařuje zdrojem studeného světla o intenzitě 350 ?mol?m-2?s-1 po dobu 5 resp. 2 minut. Připravené směsi stereoizomerů byly použity k vyzkoušení metody jejich chromatografické separace převzaté z práce Darko et al. (2000). Výsledkem separací směsí stereoizomerů byla vždy frakce all-trans izomeru a cis izomeru, o němž se domnívám, že může jít o směs více cis izomerů lišících se polohou cis dvojné vazby, které užitá chromatografická metoda není schopna dále separovat. Zavedená chromatografická metoda byla použita k separaci karotenoidů a jejich stereoizomerů z extraktů ječmene jarního (Hordeum vulgare). Kromě běžně se vyskytujících all-trans karotenoidů byly separovány také tyto jejich cis izomery: cis-neoxantin, cis-violaxantin, cis-?-karoten a cis-anteraxantin, jehož identifikace je však nejistá. Za perspektivní považuji zejména schopnost separace cis-violaxantinu, neboť cis-violaxantin hraje zřejmě jistou roli v regulaci xantofylového cyklu a světlem indukovaných strukturních změn v LHCII agregátech (Grudzińksi et al., 2001). Oba tyto procesy jsou v naší laboratoři studovány. Metoda chromatografické separace stereoizomerů karotenoidů byla také aplikována na frakce získané elektroforetickou separací pigment-proteinových komplexů thyla-koidních membrán ječmene jarního. Kromě běžně se vyskytujících all-trans izomerů karotenoidů však nebyly nalezeny žádné jejich cis izomery. Důvodem může být jednak velice nízká koncentrace karotenoidů ve frakcích pigment-proteinových komplexů, jednak zdlouhavá příprava vzorků, během níž může docházet k izomerizacím cis karotenoidů na jejich all-trans izomery.

Abstract:

Carotenoids are important photosynthetic pigments of all photosyntheticable organisms. Apart from others, they have two main functions in photosynthesis ? the light-harvesting function and the photoprotective function. In the past it was thought that only all-trans carotenoids were present in the biological systems because cis isomers are unstable. But it has been observed that also cis carotenoids are present in the photosynthetis aparatus. Their role there is investigated but it seems to be different from the role of all-trans isomers. There is a theory, that the stereoisomery determins the carotenoid ability to achieve one of the two main functions. The aim of the thesis was to investigate the importance of the carotenoids stereoisomers in the photosynthesis of higher plans and to develop methods of their study which we are able to apply in our laboratory. In the thesis there are described the basic carotenoid characteristics, their structure, stereoisomery and spectroscopy. A special accent is put on the description of the electron energetic states, conversions within them and their participation in the light-harvesting or photoprotective function. These two functions are discussed also in the sight of the carotenoid stereoisomery. The structure of two chosen pigment-protein complexes is described, the LHCII and the RC PSII, with the accent on the roles of the cis-trans isomers in the complexes. At the end of the Theoretical Part the main methods of the study of the carotenoid stereoisomers are summarized, which are the absorption and Raman resonance spectroscopy and the chromatographic separation of the stereoisomers. The absorption spectroscopy and the chromatographic separation of carotenoid stereoisomers were used in the Experimental Part of the thesis. The iodine-sensitive photo-isomeriation of lutein and ?-carotene was developed . The solution of lutein or ?-carotene and iodine in the benzene is illuminated by the light with the intensity of 350 ?mol?m-2?s-1 for 5 and 2 minutes, respectively. Prepared stereoisomer solutions were used for the development of their chromatographic separation based on the method of Darko et al. (2000). The results of the separations were two fractions ? the all-trans fraction and the cis fraction. I assume that the cis fraction can be the solution of more cis isomers differing in the position of the cis double bond. The developed chromatographic method was used for the separation of the carotenoids and their stereoisomers from the extracts of the barley (Hordeum vulgare). Four cis isomers eluated except of commonly eluated all-trans carotenoids: cis-neoxanthin, cis-violaxanthin and cis-anteraxanthin, the identification is of which is problematic, and cis-?-carotene. I assume the separation of the cis-violaxanthin perspective because cis-viola-xanthin plays a certain role in the xanthophyll cycle and in the structural organization of LHCII aggregates under excess light and both this processes are investigated in our laboratory. The chromatographic method was applied also to fractions obtained by the electrophoretic separation of the thylakoid pigment-protein complexes of the barley. None of the cis isomers were detected except of the commonly eluated all-trans carotenoids. The cause of this can be small pigment concentration in the fractions of the pigment-protein complexes or the fact that the electrophoretic separation and the pigment electroelution are lengthy processes and the unstable cis isomers isomerized to all-trans.

Keywords

karotenoidy, cis-trans izomery, spektroskopie, světlosběrná funkce, fotoprotektivní funkce, cis-violaxantin, chromatografie, jod-senzitivní fotoizomerizace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 4. 2009

Accessible from:: 17. 4. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 28. 5. 2009
• Supervisor: doc. RNDr. Jiří Kalina, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Master programme / field:
Applied Physics / Biophysics