Введение
Мембранно-ограниченные компартменты в хлоропластах и цианобактериях
Тилакоиды – это мембранные компартменты внутри хлоропластов и цианобактерий. Они являются местом протекания светозависимых реакций фотосинтеза. Тилакоиды состоят из тилакоидной мембраны, окружающей тилакоидный просвет. Хлоропластные тилакоиды часто образуют стопки дисков, называемые гранами (единственное число – гранума). Граны соединены межгранальными или стромальными тилакоидами, которые объединяют стопки гранум в единый функциональный компартмент. В тилакоидных мембранах пигменты хлорофилла находятся в пакетах, называемых квантосомами. Каждая квантосома содержит от 230 до 250 молекул хлорофилла.
Этимология
Слово тилакоид происходит от греческого слова тилакос или θύλακος, что означает «мешок» или «сумка». Следовательно, тилакоид означает «похожий на мешок» или «похожий на сумку».
Структура
[[Файл:Lettuce Thylakoid.jpg|250px|thumb|Изображение тилакоидных мембран, полученное с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM). Томoграфический срез толщиной 10 нм из хлоропласта салата. Стопки гран соединяются нестопленными стромальными тилакоидами, называемыми строма-ламеллами. Масштаб = 200 нм. Липидный бислой тилакоида обладает характеристическими особенностями прокариотических мембран и внутренней мембраны хлоропласта. Например, кислые липиды можно обнаружить в тилакоидных мембранах, цианобактериях и других фотосинтезирующих бактериях, и они участвуют в функциональной целостности фотосистем. Тилакоидные мембраны высших растений состоят в основном из фосфолипидов и галактолипидов, которые асимметрично расположены вдоль и поперек мембран. Тилакоидные мембраны богаче галактолипидами, чем фосфолипидами; также они преимущественно состоят из моногалактозилдиглицеридного липида, формирующего гексагональную фазу II. Несмотря на этот уникальный состав, было показано, что тилакоидные мембраны растений в значительной степени сохраняют динамическую организацию липидного бислоя. Липиды, формирующие тилакоидные мембраны, богатые высокожидкой линоленовой кислотой, синтезируются в сложном пути, включающем обмен предшественниками липидов между эндоплазматическим ретикулумом и внутренней мембраной пластидной оболочки, и транспортируются из внутренней мембраны в тилакоиды посредством везикул.
Люмен
Тилакоидный просвет — это непрерывная водная фаза, заключенная внутри тилакоидной мембраны. Он играет важную роль в фотофосфорилировании в процессе фотосинтеза. Во время световой фазы реакции протоны перекачиваются через тилакоидную мембрану в просвет, что приводит к понижению pH до 4.
Granum и stroma lamellae
У высших растений тилакоиды организованы в комплекс гранум и стромы. Гранум (множественное число – граны) представляет собой стопку тилакоидных дисков. Хлоропласты могут содержать от 10 до 100 гранов. Граны соединены стромальными тилакоидами, также называемыми межгранальными тилакоидами или ламеллами. Тилакоиды граны и стромальные тилакоиды можно различить по их различному белковому составу. Граны способствуют большой площади поверхности хлоропластов по отношению к объему. Недавнее исследование с использованием электронной томографии тилакоидных мембран показало, что стромальные ламеллы организованы в широкие листы, перпендикулярные оси стопки граны, и формируют несколько правозакрученных спиральных поверхностей на гранальном интерфейсе. Левозакрученные спиральные поверхности располагаются между правозакрученными спиралями и листами. Эта сложная сеть чередующихся спиральных мембранных поверхностей различного радиуса и шага позволяет минимизировать поверхностную и энергию изгиба мембран и сосуществует в структуре. Примечательно, что аналогичные расположения спиральных элементов с чередующейся закруткой, часто называемые структурами типа "многоуровневой парковки", были предложены для эндоплазматической сети и ультраплотного ядерного вещества. Эта структурная организация может представлять собой фундаментальную геометрию для соединения плотно упакованных слоев или листов. Она сохраняется во всех организмах, содержащих тилакоиды, включая цианобактерии, зеленые водоросли, такие как Chlamydomonas, и высшие растения, такие как Arabidopsis thaliana.
Изоляция и фракционирование
Тилакоиды можно очистить из растительных клеток, используя комбинацию дифференциального и градиентного центрифугирования. Разрушение изолированных тилакоидов, например, механическим разрушением, высвобождает люменальную фракцию. Периферические и интегральные мембранные фракции могут быть выделены из оставшейся мембранной фракции. Обработка карбонатом натрия (Na2CO3) отщепляет периферические белки мембраны, в то время как обработка детергентами и органическими растворителями растворяет интегральные белки мембраны.
Белки
Тилакоиды содержат множество интегральных и периферических мембранных белков, а также белков, находящихся в просвете. Недавние протеомные исследования тилакоидных фракций предоставили более подробную информацию о белковом составе тилакоидов. Эти данные были суммированы в нескольких базах данных пластидных белков, доступных онлайн. Согласно этим исследованиям, тилакоидный протеом состоит как минимум из 335 различных белков. Из них 89 находятся в просвете, 116 являются интегральными мембранными белками, 62 – периферические белки на стромальной стороне, и 68 – периферические белки на просветной стороне. Дополнительные просветные белки с низкой концентрацией могут быть предсказаны с помощью вычислительных методов. Среди тилакоидных белков с известными функциями 42% участвуют в фотосинтезе. Следующие по величине функциональные группы включают белки, участвующие в транспорте белков, их обработке и сворачивании (11%), ответ на окислительный стресс (9%) и трансляцию (8%). Скорость трансляции белков, кодируемых хлоропластами, контролируется наличием или отсутствием партнеров по сборке (контроль посредством эпистаза синтеза). Этот механизм включает отрицательную обратную связь посредством связывания избыточного белка с 5'-нетранслируемой областью мРНК хлоропласта. Хлоропластам также необходимо поддерживать баланс соотношения фотосистемы I и фотосистемы II для цепи переноса электронов. Редокс-состояние пластохинона, переносчика электронов в тилакоидной мембране, напрямую влияет на транскрипцию генов хлоропластов, кодирующих белки реакционных центров фотосистем, тем самым противодействуя дисбалансу в цепи переноса электронов.
Белок, направленный на тилакоиды
[[Изображение:Нацеливание на тилакоид.png|мини|250px|Схематичное изображение путей доставки белков в тилакоиды.
Фотолиз воды
Первым шагом в фотосинтезе является светозависимое восстановление (расщепление) воды, обеспечивающее электроны для фотосинтетических цепей транспорта электронов, а также протоны для формирования протонного градиента. Реакция расщепления воды происходит на люменной стороне тилакоидной мембраны и обусловлена световой энергией, поглощаемой фотосистемами. Окисление воды в результате этого процесса удобно производит побочный продукт O2, который необходим для клеточного дыхания. Молекулярный кислород, образующийся в ходе реакции, высвобождается в атмосферу.
Химиосмоз
Основная функция тилакоидной мембраны и ее интегральных фотосистем – создание хемосмотического потенциала. Переносчики в цепи транспорта электронов используют часть энергии электрона для активного транспорта протонов из стромы в просвет. В процессе фотосинтеза просвет становится кислым, достигая pH до 4, по сравнению с pH 8 в строме. Это формирует градиент концентрации протонов через тилакоидную мембрану, превышающий в 10 000 раз.
Источник градиента протонов
Протоны в просвете поступают из трех основных источников. Фотолиз водой фотосистемой II приводит к образованию кислорода, протонов и электронов в просвете. Перенос электронов от фотосистемы II к пластохинону в ходе нециклического транспорта электронов потребляет два протона из стромы. Эти протоны высвобождаются в просвете при окислении восстановленного пластохинола белковым комплексом цитохрома b6f на просветной стороне тилакоидной мембраны. От пула пластохинона электроны проходят через комплекс цитохрома b6f. Эта интегральная мембранная структура аналогична цитохрому bc1. Редукция пластохинона ферредоксином в ходе циклического транспорта электронов также переносит два протона из стромы в просвет. Протонный градиент также обусловлен потреблением протонов в строме для образования NADPH из NADP+ ферментом NADP-редуктазой.
генерация АТФ
Молекулярный механизм генерации АТФ (аденозинтрифосфата) в хлоропластах аналогичен механизму в митохондриях и использует необходимую энергию из движущей силы протонов (PMF). Однако хлоропласты в большей степени полагаются на химический потенциал PMF для генерации потенциальной энергии, необходимой для синтеза АТФ. PMF представляет собой сумму химического потенциала протонов (определяемого градиентом концентрации протонов) и трансмембранного электрического потенциала (определяемого разделением зарядов через мембрану). По сравнению с внутренними мембранами митохондрий, которые характеризуются значительно более высоким мембранным потенциалом из-за разделения зарядов, тилакоидные мембраны не имеют выраженного градиента заряда. Для компенсации этого, градиент концентрации протонов через тилакоидную мембрану в 10 000 раз выше, чем 10-кратный градиент через внутреннюю мембрану митохондрий. Образующийся химиосмотический потенциал между просветлением тилакоида и стромой достаточно велик для обеспечения синтеза АТФ с помощью АТФ-синтазы. По мере возвращения протонов вниз по градиенту через каналы АТФ-синтазы, АДФ и неорганический фосфат объединяются в АТФ. Таким образом, светозависимые реакции связаны с синтезом АТФ посредством градиента протонов.