Тилакоиды — это мембранные компартменты внутри хлоропластов и цианобактерий . Они являются местом светозависимых реакций фотосинтеза . Тилакоиды состоят из тилакоидной мембраны, окружающей люмен тилакоида. Тилакоиды хлоропласта часто образуют стопки дисков, называемых гранами (единственное число: granum ). Граны соединены межгранными или стромальными тилакоидами , которые объединяют стопки гран вместе как единый функциональный компартмент.
В тилакоидных мембранах пигменты хлорофилла находятся в пакетах, называемых квантасомами . Каждая квантасома содержит от 230 до 250 молекул хлорофилла.
Слово «тилакоид» происходит от греческого слова «thylakos» или «θύλακος» , что означает «мешок» или «карман». [1] Таким образом, «тилакоид» означает «подобный мешочку» или «карманный».
Тилакоиды — это мембраносвязанные структуры, встроенные в строму хлоропласта . Стопка тилакоидов называется гранум и напоминает стопку монет.
Тилакоидная мембрана является местом светозависимых реакций фотосинтеза с фотосинтетическими пигментами, встроенными непосредственно в мембрану. Это чередующийся рисунок темных и светлых полос размером 1 нанометр каждая . [3] Тилакоидный липидный бислой имеет характерные черты с прокариотическими мембранами и внутренней мембраной хлоропласта. Например, кислые липиды можно найти в тилакоидных мембранах, цианобактериях и других фотосинтетических бактериях, и они участвуют в функциональной целостности фотосистем. [4] Тилакоидные мембраны высших растений состоят в основном из фосфолипидов [5] и галактолипидов , которые асимметрично расположены вдоль и поперек мембран. [6] Тилакоидные мембраны богаче галактолипидами, чем фосфолипидами; также они преимущественно состоят из гексагональной фазы II, образующей моногалактозилдиглицеридный липид. Несмотря на этот уникальный состав, было показано, что растительные тилакоидные мембраны в значительной степени предполагают динамическую организацию липидного бислоя. [7] Липиды, образующие тилакоидные мембраны, наиболее богатые высокотекучей линоленовой кислотой [8], синтезируются в сложном пути, включающем обмен липидными предшественниками между эндоплазматическим ретикулумом и внутренней мембраной пластидной оболочки и транспортируются от внутренней мембраны к тилакоидам через везикулы. [9]
Просвет тилакоида представляет собой непрерывную водную фазу, заключенную в тилакоидную мембрану . Она играет важную роль в фотофосфорилировании во время фотосинтеза . Во время светозависимой реакции протоны перекачиваются через тилакоидную мембрану в просвет, делая его кислым до pH 4 .
У высших растений тилакоиды организованы в сборку мембран грана-строма. Грана (множественное число грана ) представляет собой стопку тилакоидных дисков. Хлоропласты могут иметь от 10 до 100 гран. Граны соединены тилакоидами стромы, также называемыми межгранными тилакоидами или ламеллами . Тилакоиды граны и тилакоиды стромы можно отличить по разному составу белков. Граны вносят вклад в большое отношение площади поверхности к объему хлоропластов. Недавнее исследование тилакоидных мембран с помощью электронной томографии показало, что ламеллы стромы организованы в широкие листы, перпендикулярные оси стопки граны, и образуют множественные правозакрученные спиральные поверхности на границе граны. [2] Левозакрученные спиральные поверхности консолидируются между правозакрученными спиралями и листами. Было показано, что эта сложная сеть чередующихся спиральных мембранных поверхностей с различными радиусами и шагом минимизирует поверхностную и изгибную энергию мембран. [2] Эта новая модель, самая обширная из созданных на сегодняшний день, показала, что в структуре сосуществуют черты двух, казалось бы, противоречащих друг другу, старых моделей [10] [11] . В частности, было предложено, чтобы схожие расположения спиральных элементов чередующейся направленности, часто называемые структурами «парковочного гаража», присутствовали в эндоплазматическом ретикулуме [12] и в сверхплотной ядерной материи. [13] [14] [15] Эта структурная организация может представлять собой фундаментальную геометрию для соединения между плотно упакованными слоями или листами. [2]
Хлоропласты развиваются из пропластид , когда сеянцы появляются из земли. Для образования тилакоидов необходим свет. В зародыше растения и при отсутствии света пропластиды развиваются в этиопласты , которые содержат полукристаллические мембранные структуры, называемые проламеллярными тельцами. При воздействии света эти проламеллярные тельца развиваются в тилакоиды. Этого не происходит у сеянцев, выращенных в темноте, которые подвергаются этиолированию . Недостаточное воздействие света может привести к отказу тилакоидов. Это приводит к отказу хлоропластов, что приводит к гибели растения.
Формирование тилакоидов требует действия белка, индуцирующего везикулы в пластидах 1 (VIPP1). Растения не могут выживать без этого белка, а снижение уровня VIPP1 приводит к замедлению роста и бледности растений с пониженной способностью к фотосинтезу. VIPP1, по-видимому, необходим для формирования основной тилакоидной мембраны, но не для сборки белковых комплексов тилакоидной мембраны. [16] Он сохраняется во всех организмах, содержащих тилакоиды, включая цианобактерии, [17] зеленые водоросли, такие как Chlamydomonas , [18] и высшие растения, такие как Arabidopsis thaliana . [19]
Тилакоиды можно очистить из растительных клеток, используя комбинацию дифференциального и градиентного центрифугирования . [20] Разрушение изолированных тилакоидов, например, механическим сдвигом, высвобождает люменальную фракцию. Периферийные и интегральные мембранные фракции можно извлечь из оставшейся мембранной фракции. Обработка карбонатом натрия ( Na2CO3 ) отделяет периферические мембранные белки , тогда как обработка детергентами и органическими растворителями солюбилизирует интегральные мембранные белки .
Тилакоиды содержат множество интегральных и периферических мембранных белков, а также люменальных белков. Недавние протеомные исследования фракций тилакоидов предоставили дополнительные сведения о составе белков тилакоидов. [21] Эти данные были обобщены в нескольких базах данных пластидных белков, которые доступны онлайн. [22] [23]
Согласно этим исследованиям, протеом тилакоидов состоит по меньшей мере из 335 различных белков. Из них 89 находятся в просвете, 116 являются интегральными мембранными белками, 62 являются периферическими белками на стороне стромы и 68 периферических белков на стороне просвета. Дополнительные малораспространенные люменальные белки могут быть предсказаны с помощью вычислительных методов. [20] [24] Из тилакоидных белков с известными функциями 42% участвуют в фотосинтезе. Следующие по величине функциональные группы включают белки, участвующие в нацеливании белков , процессинге и сворачивании с 11%, ответе на окислительный стресс (9%) и трансляции (8%). [22]
Мембраны тилакоидов содержат интегральные мембранные белки , которые играют важную роль в сборе света и светозависимых реакциях фотосинтеза. В мембране тилакоидов есть четыре основных белковых комплекса:
Фотосистема II в основном расположена в тилакоидах гран, тогда как фотосистема I и АТФ-синтаза в основном расположены в тилакоидах стромы и внешних слоях гран. Комплекс цитохрома b6f равномерно распределен по мембранам тилакоидов. Из-за раздельного расположения двух фотосистем в системе мембран тилакоидов для перемещения электронов между ними требуются мобильные переносчики электронов. Этими переносчиками являются пластохинон и пластоцианин. Пластохинон переносит электроны из фотосистемы II в комплекс цитохрома b6f, тогда как пластоцианин переносит электроны из комплекса цитохрома b6f в фотосистему I.
Вместе эти белки используют энергию света для управления электронно-транспортными цепями , которые генерируют хемиосмотический потенциал через тилакоидную мембрану и НАДФН , продукт терминальной окислительно-восстановительной реакции. АТФ-синтаза использует хемиосмотический потенциал для производства АТФ во время фотофосфорилирования .
Эти фотосистемы являются светоуправляемыми окислительно-восстановительными центрами, каждый из которых состоит из антенного комплекса , который использует хлорофиллы и вспомогательные фотосинтетические пигменты, такие как каротиноиды и фикобилипротеины, для сбора света на различных длинах волн. Каждый антенный комплекс имеет от 250 до 400 молекул пигмента, и энергия, которую они поглощают, передается путем резонансного переноса энергии специализированному хлорофиллу a в реакционном центре каждой фотосистемы. Когда любая из двух молекул хлорофилла a в реакционном центре поглощает энергию, электрон возбуждается и передается молекуле-акцептору электронов. Фотосистема I содержит пару молекул хлорофилла a , обозначенных P700 , в своем реакционном центре, который максимально поглощает свет 700 нм. Фотосистема II содержит хлорофилл P680 , который лучше всего поглощает свет 680 нм (обратите внимание, что эти длины волн соответствуют темно-красному цвету — см . видимый спектр ). P — это сокращение от pigment, а число — это удельный пик поглощения в нанометрах для молекул хлорофилла в каждом реакционном центре. Это зеленый пигмент, присутствующий в растениях, который не виден невооруженным глазом.
Комплекс цитохрома b6f является частью цепи переноса электронов тилакоида и связывает перенос электронов с перекачкой протонов в просвет тилакоида. Энергетически он расположен между двумя фотосистемами и переносит электроны из фотосистемы II-пластохинон в пластоцианин-фотосистему I.
Тилакоидная АТФ-синтаза — это CF1FO-АТФ-синтаза, похожая на митохондриальную АТФазу. Она интегрирована в тилакоидную мембрану, а CF1-часть впивается в строму. Таким образом, синтез АТФ происходит на стромальной стороне тилакоидов, где АТФ необходима для светонезависимых реакций фотосинтеза.
Электронно-транспортный белок пластоцианин присутствует в просвете и переносит электроны от белкового комплекса цитохрома b6f к фотосистеме I. В то время как пластохиноны растворимы в липидах и, следовательно, перемещаются внутри тилакоидной мембраны, пластоцианин перемещается через просвет тилакоида.
Просвет тилакоидов также является местом окисления воды кислородвыделяющим комплексом, связанным с люменальной стороной фотосистемы II.
Люменальные белки можно предсказать вычислительно на основе их целевых сигналов. У Arabidopsis из предсказанных люменальных белков, обладающих сигналом Tat , самые большие группы с известными функциями: 19% участвуют в обработке белков (протеолиз и фолдинг), 18% — в фотосинтезе, 11% — в метаболизме и 7% — в окислительно-восстановительных переносчиках и защите. [20]
Хлоропласты имеют собственный геном , который кодирует ряд тилакоидных белков. Однако в ходе эволюции пластид от их эндосимбиотических предков цианобактерий произошел обширный перенос генов из хлоропластного генома в ядро клетки . Это приводит к тому, что четыре основных тилакоидных белковых комплекса кодируются частично хлоропластным геномом, а частично ядерным геномом. Растения выработали несколько механизмов для совместной регуляции экспрессии различных субъединиц, кодируемых в двух различных органеллах, чтобы обеспечить надлежащую стехиометрию и сборку этих белковых комплексов. Например, транскрипция ядерных генов, кодирующих части фотосинтетического аппарата, регулируется светом . Биогенез, стабильность и оборот тилакоидных белковых комплексов регулируются фосфорилированием через редокс-чувствительные киназы в тилакоидных мембранах. [25] Скорость трансляции белков, кодируемых хлоропластами, контролируется наличием или отсутствием партнеров по сборке (контроль эпистазией синтеза). [26] Этот механизм включает отрицательную обратную связь через связывание избыточного белка с 5'-нетранслируемой областью мРНК хлоропластов . [27] Хлоропластам также необходимо сбалансировать соотношения фотосистем I и II для цепи переноса электронов. Окислительно-восстановительное состояние переносчика электронов пластохинона в тилакоидной мембране напрямую влияет на транскрипцию генов хлоропластов, кодирующих белки реакционных центров фотосистем, тем самым противодействуя дисбалансу в цепи переноса электронов. [28]
Белки тилакоидов направляются к месту назначения с помощью сигнальных пептидов и секреторных путей прокариотического типа внутри хлоропласта. Большинству белков тилакоидов, кодируемых ядерным геномом растения, для правильной локализации необходимы два сигнала нацеливания: N-концевой пептид нацеливания хлоропласта (показан желтым на рисунке), за которым следует пептид нацеливания тилакоида (показан синим). Белки импортируются через транслокон комплексов внешней и внутренней мембраны ( Toc и Tic ). После попадания в хлоропласт первый пептид нацеливания отщепляется протеазой, обрабатывающей импортированные белки. Это демаскирует второй сигнал нацеливания, и белок экспортируется из стромы в тилакоид на втором этапе нацеливания. Этот второй этап требует действия компонентов транслокации белков тилакоидов и является энергозависимым. Белки вставляются в мембрану через SRP-зависимый путь (1), Tat-зависимый путь (2) или спонтанно через их трансмембранные домены (не показаны на рисунке). Люменальные белки экспортируются через тилакоидную мембрану в просвет либо Tat-зависимым путем (2), либо Sec-зависимым путем (3) и высвобождаются путем расщепления от тилакоидного целевого сигнала. Различные пути используют разные сигналы и источники энергии. Sec (секреторный) путь требует АТФ в качестве источника энергии и состоит из SecA, который связывается с импортированным белком и мембранным комплексом Sec для перемещения белка. Белки с двойным мотивом аргинина в их тилакоидном сигнальном пептиде перемещаются через путь Tat (двойная транслокация аргинина), который требует мембраносвязанного комплекса Tat и градиента pH в качестве источника энергии. Некоторые другие белки вставляются в мембрану через путь SRP ( частица распознавания сигнала ). SRP хлоропласта может взаимодействовать с его целевыми белками либо посттрансляционно, либо котрансляционно, таким образом транспортируя импортированные белки, а также те, которые транслируются внутри хлоропласта. Путь SRP требует ГТФ и градиента pH в качестве источников энергии. Некоторые трансмембранные белки также могут спонтанно встраиваться в мембрану со стромальной стороны без потребности в энергии. [29]
Тилакоиды являются местом светозависимых реакций фотосинтеза. Они включают окисление воды и выделение кислорода под действием света , перекачку протонов через мембраны тилакоидов, сопряженную с электрон-транспортной цепью фотосистем и цитохромного комплекса, а также синтез АТФ АТФ-синтазой с использованием созданного протонного градиента.
Первым шагом в фотосинтезе является вызванное светом восстановление (расщепление) воды для обеспечения электронов для фотосинтетических цепей переноса электронов, а также протонов для установления протонного градиента. Реакция расщепления воды происходит на люменальной стороне тилакоидной мембраны и управляется световой энергией, захваченной фотосистемами. Это окисление воды удобно производит отходы O 2 , которые жизненно важны для клеточного дыхания . Молекулярный кислород, образующийся в результате реакции, выбрасывается в атмосферу.
В процессе фотосинтеза используются два различных варианта переноса электронов:
Нециклический вариант предполагает участие обеих фотосистем, тогда как циклический поток электронов зависит только от фотосистемы I.
Основная функция тилакоидной мембраны и ее интегральных фотосистем — установление хемиосмотического потенциала. Переносчики в цепи переноса электронов используют часть энергии электронов для активного переноса протонов из стромы в просвет . Во время фотосинтеза просвет становится кислым , с pH 4 по сравнению с pH 8 в строме. [30] Это представляет собой 10 000-кратный градиент концентрации протонов через тилакоидную мембрану.
Протоны в просвете поступают из трех основных источников.
Протонный градиент также обусловлен потреблением протонов в строме для образования НАДФН из НАДФ+ в НАДФ-редуктазе.
Молекулярный механизм генерации АТФ (аденозинтрифосфата) в хлоропластах аналогичен механизму в митохондриях и берет необходимую энергию из протондвижущей силы (ПДС). [ требуется цитата ] Однако хлоропласты больше полагаются на химический потенциал ПДС для генерации потенциальной энергии, необходимой для синтеза АТФ. ПДС представляет собой сумму протонного химического потенциала (задаваемого градиентом концентрации протонов) и трансмембранного электрического потенциала (задаваемого разделением зарядов через мембрану). По сравнению с внутренними мембранами митохондрий, которые имеют значительно более высокий мембранный потенциал из-за разделения зарядов, тилакоидные мембраны не имеют градиента заряда. [ требуется цитата ] Чтобы компенсировать это, 10 000-кратный градиент концентрации протонов через тилакоидную мембрану намного выше по сравнению с 10-кратным градиентом через внутреннюю мембрану митохондрий. Результирующий хемиосмотический потенциал между просветом и стромой достаточно высок, чтобы управлять синтезом АТФ с использованием АТФ-синтазы . Когда протоны перемещаются обратно вниз по градиенту через каналы в АТФ-синтазе , АДФ + P i объединяются в АТФ. Таким образом, светозависимые реакции сопряжены с синтезом АТФ через протонный градиент. [ необходима цитата ]
Цианобактерии являются фотосинтетическими прокариотами с высокодифференцированными мембранными системами. Цианобактерии имеют внутреннюю систему тилакоидных мембран, где находятся полностью функциональные цепи переноса электронов фотосинтеза и дыхания . Наличие различных мембранных систем придает этим клеткам уникальную сложность среди бактерий . Цианобактерии должны уметь реорганизовывать мембраны, синтезировать новые мембранные липиды и правильно направлять белки в нужную мембранную систему. Внешняя мембрана , плазматическая мембрана и тилакоидные мембраны играют специализированные роли в клетке цианобактерий. Понимание организации, функциональности, белкового состава и динамики мембранных систем остается большой проблемой в биологии клеток цианобактерий. [31]
В отличие от тилакоидной сети высших растений, которая дифференцирована на граны и стромальные пластинки, тилакоиды в цианобактериях организованы в несколько концентрических оболочек, которые разделяются и сливаются в параллельные слои, образуя высокосвязанную сеть. Это приводит к образованию непрерывной сети, которая охватывает один просвет (как в хлоропластах высших растений) и позволяет водорастворимым и жирорастворимым молекулам диффундировать через всю мембранную сеть. Более того, внутри параллельных тилакоидных листов часто наблюдаются перфорации. Эти зазоры в мембране позволяют перемещать частицы разных размеров по всей клетке, включая рибосомы, гранулы гликогена и липидные тельца. [32] Относительно большое расстояние между тилакоидами обеспечивает пространство для внешних светособирающих антенн, фикобилисом . [33] Эта макроструктура, как и в случае высших растений, демонстрирует некоторую гибкость при изменениях физико-химической среды. [34]