Нефотохимическое тушение — механизм защиты фотосинтетического аппарата от света высокой интенсивности, используемый растениями и водорослями[1]. Суть процесса заключается в поглощении избыточной энергии (тушении) синглетного возбужденного хлорофилла молекулой-акцептором с последующим переходом этой молекулы в основное энергетическое состояние при помощи усиленной внутренней конверсии. Благодаря внутренней конверсии избыточная энергия возбуждения рассеивается в виде тепла, то есть расходуется на молекулярные колебания (безызлучательный переход). Нефотохимическое тушение есть почти у всех фотосинтезирующих эукариот (водорослей и растений) и цианобактерий. Оно помогает регулировать и защищать фотосинтетический аппарат в условиях, когда поглощается больше света, чем может быть непосредственно использовано в фотосинтезе[2].
Когда молекула хлорофилла поглощает свет, она переходит из основного состояния S0 в первое синглетное возбуждённое состояния или S1. Энергия возбуждённого состояния может расходоваться тремя путями:
При высоких интенсивностях света происходит насыщение реакционных центров, так что не весь поглощенный свет может быть использован для фотосинтетической фиксации СО2, избыточная энергия приводит к деструкции фотосинтетического аппарата под действием активных форм кислорода. По этой причине светособирающие системы обладают особыми механизмами для рассеивания избытка энергии возбуждения. Этот избыток энергии приводит к увеличению времени жизни синглетного возбужденного состояния хлорофилла, что увеличивает вероятность появления долгоживущих триплетных состояний хлорофилла путём интеркомбинационной конверсии. Триплетный хлорофилл — мощный фотосенсибилизатор, который передаёт энергию возбуждения на молекулярный кислород с образованием синглетного кислорода, который может вызывать окислительное повреждение пигментов, липидов и белков фотосинтетического аппарата и тилакоидной мембраны. Для борьбы с этой проблемой и служит фотозащитный механизм известный, как нефотохимическое тушение, которое опирается на преобразования избыточной энергии возбуждения в тепло. В условиях повышенного освещения нарастает концентрация протонов в люмене хлоропласта, что приводит к протонированию белков светособирающих комплексов. Происходят конформационные изменения светособирающих белков фотосистемы II, ведущие к переориентации их хлорофиллов и снижению эффективности миграции энергии. Под действием этих конформационных перестроек некоторые из этих белков начинают активно связывать зеаксантин, в результате чего образуются «комплексы тушения». Происходит перестройка и изменения структуры макромолекулярных комплексов фотосистем, важная роль в этом процессе принадлежит субъединице PsbS фотосистемы II. Закисление люмена также стимулирует ферментативное преобразованием каротиноида виолоксантин в зеаксантин (так называемый ксантофилловый цикл)[5].