How do xanthophylls protect lipid membranes from oxidative damage?

Here, we address the problem of the antioxidant activity of carotenoids in biomembranes. The activity of lutein and zeaxanthin in the quenching of singlet oxygen generated by photosensitization was monitored in lipid vesicles using a singlet oxygen-sensitive fluorescent probe and with the application of fluorescence lifetime imaging microscopy. The antioxidant activity of xanthophylls was interpreted on the basis of electron paramagnetic resonance oximetry results showing that xanthophylls constitute a barrier to the penetration of molecular oxygen into lipid membranes: to a greater extent in the 13-cis configuration than in all-trans. These results are discussed in relation to the trans-cis photoisomerization of xanthophylls observed in the human retina. It can be concluded that photoisomerization of xanthophylls is a regulatory mechanism that is important for both the modulation of light filtration through the macula and photoprotection by quenching singlet oxygen and creating a barrier to oxygen permeation to membranes

High-resolution cryo-EM structures of plant cytochrome b6fb_{6}f at work

Plants use solar energy to power cellular metabolism. The oxidation of plastoquinol and reduction of plastocyanin by cytochrome $b_{6}f$ (Cyt $b_{6}f$) is known as one of the key steps of photosynthesis, but the catalytic mechanism in the plastoquinone oxidation site ($Q_{p}$) remains elusive. Here, we describe two high-resolution cryo-EM structures of the spinach Cyt $b_{6}f$ homodimer with endogenous plastoquinones and in complex with plastocyanin. Three plastoquinones are visible and line up one after another head to tail near $Q_{p}$ in both monomers, indicating the existence of a channel in each monomer. Therefore, quinones appear to flow through Cyt $b_{6}f$ in one direction, transiently exposing the redox-active ring of quinone during catalysis. Our work proposes an unprecedented one-way traffic model that explains efficient quinol oxidation during photosynthesis and respiration. Structures of cytochrome $b_{6}f$ with and without plastocyanin imply a one-way traffic of quinones for efficient photosynthesis

Analysis of changes in the EPR spectra of TEMPOL as a tool in studying viscosity and effect of macromolecular crowding in solution

Wysokie stężenie makromolekuł w komórkach żywych całkowicie zmienia środowisko reakcji biochemicznych tam zachodzących. To zjawisko, nazywane zatłoczeniem makromolekularnym, ma niebagatelne znaczenie na szybkość i wydajność reakcji enzymatycznych. Często używanym parametrem fenomenologicznym służącym do ilościowego opisu tego zjawiska jest lepkość, która, wyznaczana za pomocą standardowych wiskozymetrów, charakteryzuje jedynie własności badanego roztworu na poziomie makroskopowym. Chcąc uzyskać dostęp do informacji o zjawiskach zachodzących na poziomie molekularnym, w środowisku zatłoczonym wymagane jest zastosowanie sondy o rozmiarach porównywalnych z rozmiarami makrocząsteczek w roztworze. W niniejszejpracy wykorzystano sondę spinową TEMPOL, której kształt widma EPR zależy od jej czasu korelacji rotacyjnej. Wielkość ta uzależniona jest od lepkości roztworu na poziomie mikroskopowym zwanej dalej mikrolepkością. W celu analizy mikrolepkości stworzono program służący do symulacji widm EPR nitroksylowej sondy spinowej oraz optymalizacji parametrów w celu uzyskania wartości czasu korelacji rotacyjnej. Na podstawie wykonanych pomiarów TEMPOLu w roztworach glikolu polietylenowego oraz Ficollu wykazano, że lepkość makroskopowa nie zawsze jest tożsama z mikrolepkością, w szczególności dla cząsteczek substancji crowdingowych o dużych rozmiarach. Niniejsza praca pozwala lepiej zrozumieć fizyczne przyczyny efektów towarzyszących zjawisku zatłoczenia makromolekularnego i stanowi metodologiczną podstawę do dalszych badań nad tym zjawiskiem w układach biologicznych.High concentration of macromolecules in living cells causes changes in the enviroment of biochemical processes. That effect, called macromolecular crowding, has significant role in reaction rate of enzymatic reactions. Viscosity, determined by glass viscometers, is a parameter often used to quantitatively describe macromolecular crowding. However, viscosity characterizes only macroscopic properties of analysed solution. The usage of molecular probe with similar properties to those of macromolecules in solution is required in order to gain access to the information related to microscale phenomena. In this paper TEMPOL spin probe was used to determine its rotational correlation time, which heavily influences EPR spectrum. Correlation time is related to microscopic viscosity of solution, which will be referred to simply as microviscosity.I developed a program which allows us to simulate EPR spectra of nitroxide radicals in solution and fit parameters in order to obtain rotational correlation time. Based on the conducted measurements of TEMPOL in polyethylene glycol and Ficoll, it was shown that macroscopic viscosity is not always equal to microviscosity, especially when it comes to large molecules of crowding reagents. The purpose of the present study is to better understand physical causes of effects accompanying macromolecular crowding. This paper establishes a methodological support in future research of macromolecular crowding in biological systems