Thylakoider er membranbundne rum i kloroplaster og cyanobakterier . De lysafhængige reaktioner af fotosyntese finder sted i thylakoiderne . Ordet "thylakoid" kommer fra det græske ord thylakos , der betyder "pose". Thylakoider er sammensat af en membran, der omgiver thylakoid-lumen . Chloroplastthylakoider har ofte en struktur, der ligner en stak skiver. Disse bunker kaldes grana (af lat . Granum - en bunke mønter). Granaerne er forbundet med intergranulære eller stromatiske thylakoider ( lameller ) til et enkelt funktionelt rum.
Thylakoider er membranbundne strukturer placeret i kloroplastens stroma.
Thylakoidmembranen er faktisk stedet, hvor de lysafhængige reaktioner af fotosyntesen finder sted. Disse reaktioner finder sted med deltagelse af fotosyntetiske pigmenter, der er placeret direkte på membranen i form af skiftevis mørke og lyse bånd omkring 1 nm brede [1] .
Lipid -dobbeltlaget i thylakoidet ligner i egenskaber bakteriemembraner såvel som til den indre membran af kloroplasten. Det indeholder for eksempel sure lipider (som i cyanobakterier og andre bakterier, der er i stand til fotosyntese), som bruges til at opretholde fotosystemets funktionelle integritet [2] .
Thylakoidmembraner i højere planter er hovedsageligt sammensat af fosfolipider [3] og galactolipider , som er ujævnt fordelt over membranen [4] .
Processen med lipidsyntese for thylakoidmembranen er ret kompleks, den involverer udveksling af lipidprækursorer mellem det endoplasmatiske retikulum og plastidkappens indre membran, hvorfra selve lipiderne overføres til thylakoiderne via vesikeltransport [5] .
Tylakoid lumen (lumen) er et rum afgrænset af thylakoid membranen. Det spiller en væsentlig rolle i fotofosforylering under fotosyntese . Under lysafhængige reaktioner pumpes protoner gennem thylakoidmembranen ind i dens lumen. Lumens pH kan derefter falde til 4.
Grana er stakke af skiveformede thylakoider. Kloroplaster kan indeholde fra 10 til 100 korn. Grana er forbundet med stromatiske thylakoider, som nogle gange også kaldes intergranale thylakoider eller lameller . Granal og agranal thylakoider adskiller sig i deres proteinsammensætning .
Kloroplaster udvikler sig fra proplastider , når kimen stiger over jordoverfladen. For dannelsen af thylakoider er tilstedeværelsen af lys nødvendig. I embryonet af en plante, såvel som i fravær af lys, bliver proplastider til etioplaster med semi-krystallinske membraner, som kaldes prolamellære legemer. Under påvirkning af lys bliver disse prolamellære kroppe til thylakoider. Dette forekommer dog ikke hos frøplanter, der spirer i mørke; sådanne spirer undergår etiolation . Utilstrækkelig belysning kan føre til nedsat thylakoiddannelse. Dette fører til dysfunktion af kloroplaster og som følge heraf til plantens død.
Thylakoiddannelse kræver også VIPP1-proteinet ( vesikel-inducerende protein i plastider 1 ). Planten dør uden dette protein, og dens reducerede koncentration bremser plantens vækst og får den til at blive bleg i farven og reducerer også fotosyntetisk aktivitet. VIPP1 er påkrævet til dannelsen af selve thylakoidmembranen, men ikke til samling af proteinkomplekser på denne membran [6] .
Dette protein er meget konserveret i alle thylakoidholdige organismer, selv i blågrønalger , [7] grønalger såsom Chlamydomonas [8] og højere planter såsom Arabidopsis [9] .
Thylakoider kan isoleres fra planteceller ved hjælp af en kombination af differential- og gradientcentrifugering [ 10] . Ødelæggelse af de isolerede thylakoider, for eksempel på grund af mekanisk påvirkning, gør det muligt at isolere substansen i lumen. Overflade- og integralproteiner kan også ekstraheres fra de resterende membranfragmenter: behandling med natriumcarbonat (Na 2 CO 3 ) forårsager adskillelse af overflademembranproteiner , mens behandling med detergenter og organiske opløsningsmidler tillader ekstraktion af integrale membranproteiner .
Thylakoider indeholder mange integral- og overflademembranproteiner. Mange proteiner findes også i stoffet i lumen. Nylige proteomiske undersøgelser [11] af thylakoidfraktioner har gjort det muligt at akkumulere en masse information om proteinsammensætningen af thylakoider. Disse data er opsummeret i flere databaser over plastidproteiner, der er tilgængelige på internettet [12] [13] .
Som det fremgår af de nævnte undersøgelser, består thylakoid- proteomet af mindst 335 forskellige proteiner. 89 af dem er indeholdt i substansen af lumen, 116 er integrerede membranproteiner, 68 er på overfladen af den indre membran (fra siden af lumen), og 62 er overflade på den ydre membran (fra siden af kloroplaststroma). Derudover er yderligere sjældne proteiner af lumenstoffet blevet forudsagt ved hjælp af computermetoder [10] [14] . Af thylakoidproteinerne med kendte funktioner er 42% involveret i fotosyntesen. 11% er involveret i proteintransport, forarbejdning og vedligeholdelse af proteinfoldning , 9% som reaktion på oxidativt stress og 8% i translation [12] .
Thylakoidmembraner indeholder integrerede proteiner, der spiller en vigtig rolle i indfangningen af en lysfoton og i lysafhængige fotosyntetiske reaktioner. Der er fire hovedproteinkomplekser på membranen:
Fotosystem II findes overvejende i granathylakoiderne, mens fotosystem I og ATP-syntase findes i de stromatiske thylakoider samt i de ydre lag af granaen. b6f-cytokromkomplekset er jævnt fordelt gennem membranen.
Fordi de to fotosystemer er rumligt adskilt på thylakoidmembranen, er mobile bærere nødvendige for at udveksle elektroner mellem dem. Plastoquinon og plastocyanin fungerer som sådanne bærere . Plastoquinon overfører elektroner fra fotosystem II til cytochrom b6f komplekset, mens plastocyanin overfører dem fra cytochrom b6f komplekset til fotosystem I.
Sammen omdanner disse proteiner lysenergi til at drive elektrontransportkæder, der skaber et elektrokemisk potentiale på tværs af thylakoidmembranen og syntetiserer også nikotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP), produktet af den endelige redoxreaktion. ATP-syntase bruger dette elektrokemiske potentiale til at syntetisere ATP gennem fotophosphoryleringsprocessen .
FotosystemerThylakoidens fotosystemer er centrene for implementering af redoxlysafhængige reaktioner. Hvert fotosystem indeholder et antennekompleks, der fanger lys af forskellige bølgelængder ved hjælp af klorofyl og tilbehørsfotosyntetiske pigmenter såsom carotenoider og phycobiliproteiner . Antennekomplekset indeholder fra 250 til 400 pigmentmolekyler. Den energi, de absorberer på grund af resonansoverførsel, overføres til specialiseret klorofyl a , placeret i reaktionscentret af hvert fotosystem. Når et af de to klorofyl a -molekyler i reaktionscentret får energi, doneres en elektron til et acceptormolekyle.
Fotosystem I 's reaktionscenter absorberer mest effektivt lys ved en bølgelængde på 700 nm. Den indeholder to klorofyl a -molekyler , betegnet P700 . Fotosystem II indeholder klorofyldimeren P680 , som har et absorptionsmaksimum ved 680 nm (det skal bemærkes, at begge disse bølgelængder ligger dybt i det røde område af spektret, se artiklen om synligt lys ). I klorofylnotation er P en forkortelse for pigment, og tallet angiver den bølgelængde i nanometer, hvorved maksimal absorption af lys opnås.
Cytokrom-b6f-kompleksb6f-cytokromkomplekset går ind i thylakoid-elektrontransportkæden og forbinder elektronoverførsel med protonpumpning ind i thylakoid-lumen. I transportkæden er den placeret mellem to fotosystemer og overfører elektroner fra fotosystem II plastoquinon til fotosystem I plastocyanin.
ATP-syntaseThylakoid ATP-syntase er en CF 1 FO ATP -syntase, der ligner mitokondriel ATP-syntase. Den er integreret i thylakoidmembranen, og dens CF 1 -komponent rager ind i kloroplastens stroma. Således syntetiseres ATP på den stromale side af thylakoidet, hvor det er nødvendigt for fotosyntesens lysuafhængige reaktioner.
Tylakoidlumenet indeholder protein plastocyanin , som transporterer elektroner fra cytokromproteinkomplekset b6f til fotosystem I. I modsætning til lipidopløseligt plastoquinon , som kan bevæge sig langs thylakoidmembranen, er plastocyanin hydrofilt og bevæger sig i lumenstoffet.
Vandspaltning forekommer også i thylakoidlumen. Denne operation udføres af det vandspaltende kompleks forbundet med stedet for fotosystem II, der rager ind i lumen.
Lumenproteiner kan forudsiges baseret på analyse af deres signalsekvenser . I Arabidopsis er en stor gruppe proteiner blevet forudsagt at have et "TAT"-signal, hvoraf cirka 19 % er involveret i proteinbearbejdning (proteolyse og foldning), 15 % i fotosyntese, 11 % i metabolisme og 7 % i redox reaktioner og forsvar mod infektion [10] .
Kloroplaster har deres eget genom , som lagrer generne for nogle thylakoidproteiner. Men under udviklingen af plastider fra deres forgængere, endosymbiotiske cyanobakterier, blev et stort antal gener overført fra kloroplastgenomet til cellekernen. Som følge heraf er de fire store thylakoidproteinkomplekser dels kodet i kloroplastgenomet og dels af det nukleare genom.
Planter har udviklet flere mekanismer til co-regulering af ekspressionen af proteiner inkluderet i disse komplekser, hvis gener er lagret i forskellige organeller, for at opnå den nødvendige støkiometri og den nødvendige samlingskvalitet af proteinkomplekser. For eksempel afhænger transkriptionen af nukleare gener, der koder for dele af det fotosyntetiske apparat, af belysning.
Livscyklussen for thylakoidproteinkomplekser styres af phosphorylering af specifikke kinaser , der er følsomme over for oxidation og reduktion, som er placeret på thylakoidmembraner [15] .
Oversættelseshastigheden af proteiner kodet i chloroplastgenomet styres af tilstedeværelsen eller fraværet af samlingsproteiner [16] . Denne mekanisme indeholder en negativ feedback realiseret ved binding af et hjælpeprotein til 5'-enden af den utranslaterede region af chloroplast- mRNA'et [17] .
Desuden skal kloroplaster opretholde en balance mellem koncentrationerne af fotosystem I og II for at elektrontransportkæden kan fungere normalt. Tilstanden (oxideret/ikke-oxideret) af plastoquinon-elektronbæreren på thylakoidmembranen styrer direkte transkriptionen af chloroplastgener, der koder for proteiner i fotosystemreaktionscentre, hvilket kompenserer for ubalancen i elektrontransportkæden [18] .
Thylakoid-proteiner er målrettet til deres placeringer af signalpeptider og prokaryot -lignende sekretionsmekanismer . De fleste thylakoidproteiner kodet af plantens kernegenom kræver to signaler for at finde deres destination: en N-terminal chloroplastmarkør (vist med gult i figuren) og en thylakoidmarkør (vist i blåt). Proteiner indføres i kloroplasten gennem translokonkomplekser på de indre og ydre membraner (Tic og Toc i figuren).
Når først den er inde i kloroplasten, spaltes den første markør af en protease , der behandler de indkommende proteiner. Dette giver adgang til det andet signal, og proteinet fra chloroplaststromaet overføres til thylakoidet som en del af det andet transporttrin. Dette andet trin kræver arbejdet af komponenterne i thylakoidet, der er ansvarlige for transporten af proteiner, og sker til en energiomkostning.
Proteiner integreres i membranen gennem mekanismen for genkendelse af signalregioner (1), gennem mekanismen for diarginin- translokation (DAT) (2), eller spontant på grund af tilstedeværelsen af transmembrane domæner i dem (ikke vist i figuren). Proteinerne i det luminale stof transporteres ind i lumen gennem thylakoidmembranen gennem DAT-mekanismen (2) eller gennem sekretormekanismen (3), og frigives på grund af spaltningen af thylakoidmarkøren.
Forskellige proteintransportmekanismer bruger forskellige signalpeptider og energikilder. Den sekretoriske mekanisme bruger ATP som energikilde og implementeres af SecA-markøren, som binder til det overførte protein, og Sec-sekretorisk membrankompleks, som direkte udfører overførslen.
Proteiner med to argininer i deres thylakoid-signalmarkør transporteres af DAT, som implementeres af Tat-membrankomplekset (tvillingarginintranslokation) ved hjælp af en pH- gradient som energikilde.
Nogle andre proteiner integreres i membranen via en signalpeptidgenkendelsesmekanisme. Kloroplastreceptorproteiner kan genkende målproteiner både efter deres translation og under den, og de kan således bære både eksterne proteiner og proteiner translateret inde i kloroplasten. Denne mekanisme bruger GTP og en pH-gradient som energikilder .
Nogle transmembrane proteiner kan også spontant integreres i membranen fra stroma uden at bruge energi [19] .
I thylakoider udføres følgende lysafhængige reaktioner af fotosyntese:
Det første trin i fotosyntesen er nedbrydningen af vand ved lys. Denne reaktion giver elektroner til fotosyntetiske elektrontransportkæder, såvel som protoner til at skabe en protongradient. Vandspaltningsreaktionen sker på den side af thylakoidmembranen, der vender mod lumen, og sker med forbruget af energi modtaget af fotosystemer fra sollys. Det er interessant at bemærke, at denne oxidation (spaltning) af vand sker med frigivelse af O 2 som et biprodukt, som frigives til atmosfæren og derefter kan bruges af andre organismer til respiration .
I processen med fotosyntese bruges to typer elektrontransport:
Den ikke-cykliske transportform involverer begge fotosystemer, mens den cykliske type kun forekommer ved brug af fotosystem I.
Grundfunktionen af thylakoidmembranen og dens integrerede fotosystemer er skabelsen af et elektrokemisk potentiale . Elektronbærere involveret i elektrontransport bruger noget af elektronenergien til at pumpe protoner fra stroma ind i thylakoidlumen. Under fotosyntesen bliver lumen sur op til pH 4 (hvorimod stroma har en pH på 8). Dette svarer til en 10.000 gange protonkoncentrationsgradient over thylakoidmembranen.
Kilde til protongradientenProtoner kommer ind i lumen fra tre kilder:
Protongradienten opretholdes også af forbruget af protoner i stromaet under reduktionen af NADP + til NADPH med NADP -reduktase .
ATP-synteseDen molekylære mekanisme for ATP-syntese i kloroplaster ligner den i mitokondrier . Den modtager den nødvendige energi fra proton-motorkraften (PDF). Kloroplaster bruger dog for det meste det elektrokemiske potentiale af PDS. SMS er sammensat af protonernes kemiske potentiale (på grund af deres koncentrationsgradient) og det transmembrane elektriske potentiale (på grund af fordelingen af ladninger på forskellige sider af membranen).
Sammenlignet med mitokondriers indre membraner, som har et væsentligt højere membranpotentiale på grund af ladningsadskillelse, er ladningsgradienten over thylakoidmembraner lille. Dette kompenseres samtidig af en 10.000 gange protonkoncentrationsgradient, som er meget højere end 10 gange i mitokondrier. Det samlede elektrokemiske potentiale mellem thylakoid-lumen og stroma er stort nok til at give næring til ATP-syntasens arbejde. Når protoner frigives tilbage i stroma til et område med reduceret koncentration gennem en kanal i ATP-syntase, opstår der en ATP-syntesereaktion. Det er gennem protongradienten, at lysafhængige reaktioner er forbundet med ATP-syntese.
Cyanobakterier er fotosyntetiske prokaryoter med højt differentierede membransystemer. Disse bakterier har et indre system af thylakoidmembraner, hvorpå alle komponenterne i de operationelle elektrontransportkæder af fotosyntese og respiration er placeret. Cyanobakterier er karakteriseret ved tilstedeværelsen på ydersiden af thylakoidmembraner af komplekse proteinkomplekser - phycobilisomes , som hovedsageligt består af proteiner - phycobiliner phycocyanin og phycoerythrin [1] . Af eukaryoter har rødalger og glaucofytter phycobilisomer . Phycobiliner absorberer lysenergi og overfører den til klorofyl a i fotosystem II.
På grund af tilstedeværelsen af sådanne systemer er disse bakteriers fotosynteseapparat mere komplekst end andre grupper af fotobakterier. De skal være i stand til at håndtere disse membraner, syntetisere specifikke membranlipider og også sikre korrekt transport af proteiner. Plasmamembranen , der omgiver cellen og thylakoidmembraner, spiller forskellige roller i cyanobakterieceller. Organisationen, funktionerne, sammensætningen og dynamikken af proteiner i membransystemer forbliver et af de mest aktivt undersøgte områder i cyanobakteriers biologi [20] .
Ordbøger og encyklopædier |
---|