Войти
| Биология клетки | |
|---|---|
| Хлоропласт | |
 Компоненты типичного хлоропласта 1Гранум. 2Хлоропластная оболочка. 3Тилакоид ◄ Вы здесь .
4Стромальный тилакоид. 5Строма. 6Нуклеоид (кольцо ДНК). 7Рибосома. 8Plastoglobulus. 9Гранула крахмала . |
Тилакоиды (темно-зеленые) внутри хлоропласта Тилакоиды представляют собой мембраносвязанные компартменты внутри хлоропластов и цианобактерий. Они являются местом светозависимых реакций фотосинтеза. Тилакоиды состоят из тилакоидной мембраны, окружающей тилакоид просвет. Тилакоиды хлоропластов часто образуют стопки дисков, которые называются grana (единственное число: granum ). Grana связаны между собой межгранными / str oma thylakoids, которые соединяют стеки granum как единый функциональный отсек.
Слово тилакоид происходит от греческого слова thylakos, означающего «мешок» или «мешок».. Таким образом, тилакоид означает «мешкообразный» или «мешкообразный».
Структуры тилакоидов 
Сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (STEM), визуализация тилакоидных мембран томографический срез STEM толщиной 10 нм из хлоропласта салата. Стеки граны связаны между собой несъёмными стромальными тилакоидами, называемыми «ламеллами стромы». Масштабная шкала = 200 нм. См. 
Структура сборки гранум-строма Преобладающая модель сборки гранум-строма представляет собой стопки гранальных тилакоидов, обернутых правосторонними спиральными стромальными тилакоидами, которые соединены с большими параллельными листами стромальных тилакоидов и смежными правосторонними спирали левосторонними спиральными структурами. (На основе). Тилакоиды представляют собой мембранные структуры, встроенные в хлоропласт строму. Стопка тилакоидов называется гранумом и напоминает стопку монет.
тилакоидная мембрана является местом светозависимых реакций фотосинтеза с включенными фотосинтетическими пигментами прямо в мембране. Это чередующийся узор из темных и светлых полос размером 1 нанометр каждая. Липидный бислой тилакоидов имеет общие черты с прокариотическими мембранами и внутренней хлоропластной мембраной. Например, кислые липиды можно найти в мембранах тилакоидов, цианобактерий и других фотосинтезирующих бактерий, и они участвуют в функциональной целостности фотосистем. Тилакоидные мембраны высших растений состоят в основном из фосфолипидов и галактолипидов, которые расположены асимметрично вдоль и поперек мембран. Мембраны тилакоидов богаче галактолипидами, чем фосфолипидами; также они преимущественно состоят из гексагональной фазы II, образующей липид моногалактозилдиглицерида. Несмотря на этот уникальный состав, мембраны тилакоидов растений, как было показано, предполагают в значительной степени динамическую организацию липидного бислоя. Липиды, образующие тилакоидные мембраны, наиболее богатые линоленовой кислотой с высокой текучестью, синтезируются сложным путем, включающим обмен липидных предшественников между эндоплазматическим ретикулумом и внутренней мембраной пластидной оболочки и транспортируются от внутренней мембраны к тилакоидам. через везикулы.
Просвет тилакоида представляет собой непрерывную водную фазу, окруженную тилакоидной мембраной. Он играет важную роль для фотофосфорилирования 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 гранулы. сборка стромы мембраны. granum (множественное число grana ) представляет собой стопку тилакоидных дисков. Хлоропласты могут иметь от 10 до 100 грана. Граны соединены тилакоидами стромы, также называемыми межзеренными тилакоидами или ламеллами . Тилакоиды граны и тилакоиды стромы можно различить по их разному белковому составу. Грана способствует большему соотношению площади поверхности хлоропластов к объему. Недавнее электронно-томографическое исследование тилакоидных мембран показало, что ламеллы стромы организованы в виде широких пластин, перпендикулярных оси стопки гранов, и образуют множественные правые спиральные поверхности на границе раздела граней. Левые винтовые поверхности консолидируются между правыми спиралями и листами. Было показано, что эта сложная сеть чередующихся спиральных поверхностей мембран разного радиуса и шага минимизирует поверхностную энергию и энергию изгиба мембран. Эта новая модель, самая обширная из созданных на сегодняшний день, показала, что в структуре сосуществуют черты двух, казалось бы, противоречивых старых моделей. Примечательно, что аналогичные конфигурации спиральных элементов с чередованием руки, часто называемые структурами «парковочного гаража», были предложены для присутствия в эндоплазматическом ретикулуме и в сверхплотном ядерном веществе. Эта структурная организация может составлять фундаментальную геометрию для соединения между плотно упакованными слоями или листами.
Хлоропласты развиваются из пропластид, когда проростки появляются из земля. Для образования тилакоидов требуется свет. В зародыше растения и в отсутствие света пропластиды развиваются в этиопласты, которые содержат полукристаллические мембранные структуры, называемые проламеллярными тельцами. Под воздействием света эти проламеллярные тела превращаются в тилакоиды. Этого не происходит с сеянцами, выращенными в темноте, которые подвергаются этиоляции. Недостаток света может привести к выходу тилакоидов из строя. Это вызывает разрушение хлоропластов, что приводит к гибели растения.
Для образования тилакоидов необходимо действие индуцирующего везикулы белка в пластидах 1 (VIPP1). Растения не могут выжить без этого белка, а снижение уровня VIPP1 приводит к замедлению роста и бледности растений с пониженной способностью к фотосинтезу. VIPP1, по-видимому, необходим для образования основной тилакоидной мембраны, но не для сборки белковых комплексов тилакоидной мембраны. Он сохраняется у всех организмов, содержащих тилакоиды, включая цианобактерии, зеленые водоросли, такие как Chlamydomonas, и высшие растения, такие как Arabidopsis thaliana.
Тилакоиды могут быть очищенным от растительных клеток с использованием комбинации дифференциального и градиентного центрифугирования. Разрушение изолированных тилакоидов, например, механическим сдвигом, высвобождает люменальную фракцию. Периферийные и интегральные мембранные фракции могут быть извлечены из оставшейся мембранной фракции. Обработка карбонатом натрия (Na 2CO3) отделяет белки периферической мембраны, тогда как обработка детергентами и органическими растворителями солюбилизирует интегральные мембранные белки.
Тилакоидный диск со встроенными и ассоциированными белками. Тилакоиды содержат множество интегральных и периферических мембранных белков, а также люменальные белки. Недавние протеомные исследования тилакоидных фракций предоставили дополнительные подробности белкового состава тилакоидов. Эти данные обобщены в нескольких базах данных пластидных белков, доступных в Интернете.
Согласно этим исследованиям, тилакоид протеом состоит по меньшей мере из 335 различных белков. Из них 89 находятся в просвете, 116 - интегральные мембранные белки, 62 - периферические белки на стороне стромы и 68 - периферические белки на стороне просвета. Дополнительные белки просвета с низким содержанием могут быть предсказаны с помощью вычислительных методов. Из тилакоидных белков с известными функциями 42% участвуют в фотосинтезе. Следующие по величине функциональные группы включают белки, участвующие в нацеливании на белок, процессинге и фолдинге с 11%, реакции на окислительный стресс (9%) и трансляции (8%).
Тилакоидные мембраны содержат интегральные мембранные белки, которые играют важную роль в сборке света и светозависимых реакциях фотосинтеза. В тилакоидной мембране есть четыре основных белковых комплекса:
Фотосистема II расположена в основном в тилакоидах граны, тогда как фотосистема I и АТФ-синтаза находятся в основном расположены в тилакоидах стромы и внешних слоях граны. Комплекс цитохрома b6f равномерно распределен по тилакоидным мембранам. Из-за раздельного расположения двух фотосистем в тилакоидной мембранной системе, мобильные электронные носители необходимы для перемещения электронов между ними. Эти переносчики - 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 световую энергию для управления цепями переноса электронов, которые генерируют хемиосмотический потенциал через тилакоидную мембрану, и НАДФН, продукт конечной окислительно-восстановительной реакции. АТФ-синтаза использует хемиосмотический потенциал для образования АТФ во время фотофосфорилирования.
Эти фотосистемы представляют собой управляемые светом окислительно-восстановительные центры, каждый из которых состоит из антенный комплекс, который использует хлорофиллы и дополнительные фотосинтетические пигменты, такие как каротиноиды и фикобилипротеины для сбора света в различных местах длин волн. Каждый антенный комплекс содержит от 250 до 400 молекул пигмента, и энергия, которую они поглощают, передается посредством резонансной передачи энергии специализированному хлорофиллу а в реакционном центре каждой фотосистемы. Когда одна из двух молекул хлорофилла а в реакционном центре поглощает энергию, электрон возбуждается и передается молекуле-акцептору электронов. Фотосистема I содержит пару молекул хлорофилла а, обозначенную P700, в своем реакционном центре, который максимально поглощает свет с длиной волны 700 нм. Фотосистема II содержит хлорофилл P680, который лучше всего поглощает свет с длиной волны 680 нм (обратите внимание, что эти длины волн соответствуют темно-красному - см. видимый спектр ). Буква P - это сокращение от пигмента, 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 тилакоидной цепи переноса электронов 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 представляет собой CF1FO-АТФ-синтазу, аналогичную митохондриальная АТФаза. Он интегрирован в тилакоидную мембрану, при этом часть CF1 втыкается в строму. Таким образом, синтез АТФ происходит на стромальной стороне тилакоидов, где АТФ необходим для светонезависимых реакций фотосинтеза.
Белок переноса электронов пластоцианин присутствует в просвете и переносит электроны от белкового комплекса цитохрома b6f к фотосистеме I. В то время как пластохиноны являются липидорастворимыми и поэтому перемещаются внутри тилакоидной мембраны, пластоцианин перемещается через просвет тилакоида.
Просвет тилакоидов также является местом окисления воды выделяющим кислород комплексом, связанным с люменальной стороной фотосистемы II.
Люменальные белки можно предсказать с помощью вычислений на основе их сигналов нацеливания. У арабидопсиса из предсказанных люменальных белков, обладающих сигналом Tat, самые большие группы с известными функциями на 19% участвуют в процессинге белка (протеолиз и фолдинг), 18% - в фотосинтезе, 11% - в метаболизме и 7% окислительно-восстановительных носителей и защиты.
Хлоропласты имеют свой собственный геном, который кодирует ряд тилакоидных белков. Однако в ходе эволюции пластид от их цианобактериальных эндосимбиотических предков произошел обширный перенос генов из генома хлоропласта в ядро клетки. В результате четыре основных тилакоидных белковых комплекса кодируются частично геномом хлоропласта и частично геномом ядра. Растения разработали несколько механизмов совместной регуляции экспрессии различных субъединиц, кодируемых в двух разных органеллах, для обеспечения надлежащей стехиометрии и сборки этих белковых комплексов. Например, транскрипция ядерных генов, кодирующих части фотосинтетического аппарата, регулируется светом. Биогенез, стабильность и оборот тилакоидных белковых комплексов регулируются фосфорилированием через окислительно-восстановительные киназы в тилакоидных мембранах. Скорость трансляции белков, кодируемых хлоропластами, контролируется наличием или отсутствием партнеров по сборке (контроль эпистазией синтеза). Этот механизм включает отрицательную обратную связь через связывание избытка белка с 5'-нетранслируемой областью хлоропласта мРНК. Хлоропластам также необходимо сбалансировать соотношение фотосистем I и II в 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.
Схематическое изображение путей нацеливания на тилакоидные белки. Тилакоидные белки нацелены к месту назначения через сигнальные пептиды и секреторные пути прокариотического типа внутри хлоропласта. Большинству тилакоидных белков, кодируемых ядерным геномом растения, для правильной локализации необходимы два нацеленных сигнала: нацеливающий пептид на N-концевой хлоропласт (показан желтым на рисунке), за которым следует нацеливающий пептид на тилакоид (показан синим). Белки импортируются через транслокон комплексов внешней и внутренней мембран (Toc и Tic ). После попадания в хлоропласт первый целевой пептид отщепляется протеазой, обрабатывающей импортируемые белки. Это демаскирует второй сигнал нацеливания, и белок экспортируется из стромы в тилакоид на втором этапе нацеливания. Этот второй шаг требует действия компонентов тилакоидов по транслокации белков и зависит от энергии. Белки встраиваются в мембрану посредством SRP-зависимого пути (1), Tat-зависимого пути (2) или спонтанно через их трансмембранные домены (не показаны на рисунке). Белки просвета транспортируются через тилакоидную мембрану в просвет либо посредством Tat-зависимого пути (2), либо посредством Sec-зависимого пути (3) и высвобождаются путем отщепления от тилакоидного нацеленного 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 через него. Белки с двойным мотивом аргинина в их тилакоидном сигнальном пептиде перемещаются по пути Tat (двойная транслокация аргинина), который требует мембраносвязанного комплекса Tat и градиента pH в качестве источника энергии. Некоторые другие белки встраиваются в мембрану посредством пути SRP (частица распознавания сигнала ). SRP хлоропласта может взаимодействовать со своими белками-мишенями либо посттрансляционно, либо ко-трансляционно, таким образом транспортируя импортированные белки, а также те, которые транслируются внутри хлоропласта. Путь SRP требует GTP и градиента pH в качестве источников энергии. Некоторые трансмембранные белки могут также спонтанно внедряться в мембрану со стороны стромы без потребности в энергии.
Светозависимые реакции фотосинтеза на тилакоидной мембране Тилакоиды являются участком светозависимые реакции фотосинтеза. К ним относятся окисление воды под действием света и выделение кислорода, перекачка протонов через тилакоидные мембраны, связанные с цепью переноса электронов фотосистем и цитохромным комплексом, и синтез АТФ с помощью АТФ-синтазы с использованием генерируемого протонного градиента..
Первым шагом в фотосинтезе является восстановление (расщепление) воды под действием света для обеспечения электронами фотосинтетических цепей переноса электронов, а также протонов для образования протона. градиент. Реакция расщепления воды происходит на просветной стороне тилакоидной мембраны и управляется световой энергией, захваченной фотосистемами. Такое окисление воды обычно приводит к образованию отходов O 2, которые жизненно важны для клеточного дыхания. Молекулярный кислород, образующийся в результате реакции, выбрасывается в атмосферу.
Во время фотосинтеза используются два различных варианта переноса электронов:
Нециклическое разнообразие предполагает участие обеих фотосистем, тогда как циклический поток электронов зависит только от фотосистемы I.
Основная функция тилакоидной мембраны и ее интегральных фотосистем - создание хемиосмотического потенциала. Носители в цепи переноса электронов используют часть энергии электрона для активного переноса протонов из стромы в люмен. Во время фотосинтеза просвет становится кислым до pH 4 по сравнению с pH 8 в строме. Это представляет 10000-кратный градиент концентрации для протонов через тилакоидную мембрану.
Протоны в просвете происходят из трех основных источников.
Протонный градиент также вызван потреблением протонов в строме для образования НАДФН из НАДФ + на НАДФ-редуктазе.
Молекулярный механизм генерации АТФ (аденозинтрифосфата) в хлоропластах аналогичен таковому в митохондриях и требует необходимой энергии от протонного мотива усилие (PMF). Однако хлоропласты больше полагаются на химический потенциал PMF для выработки потенциальной энергии, необходимой для синтеза АТФ. PMF представляет собой сумму протонного химического потенциала (определяемого градиентом концентрации протонов) и трансмембранного электрического потенциала (определяемого разделением зарядов через мембрану). По сравнению с внутренними мембранами митохондрий, которые имеют значительно более высокий мембранный потенциал из-за разделения зарядов, у тилакоидных мембран отсутствует градиент заряда. 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 возвращаются вниз по градиенту через каналы в АТФ-синтазе, АДФ + P i объединяются в АТФ. Таким образом, светозависимые реакции связаны с синтезом АТФ через протонный градиент.
Тилакоиды (зеленые) внутри цианобактерий (Synechocystis) Цианобактерии - фотосинтезирующие прокариоты 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 быть способны реорганизовывать мембраны, синтезировать новые мембранные липиды и правильно нацеливать белки на правильную мембранную систему. внешняя мембрана, плазматическая мембрана и тилакоидные мембраны, каждая, выполняет особые роли в цианобактериальной клетке. Понимание организации, функциональности, белкового состава и динамики мембранных систем остается серьезной проблемой в биологии цианобактериальных клеток.
В отличие от тилакоидной сети высших растений, которая дифференцируется на грану и строму, тилакоиды у цианобактерий организованы в несколько концентрических оболочек, которые разделяются и сливаются с параллельными слоями, образуя тесно связанную 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 листов тилакоида часто наблюдаются перфорации. Эти промежутки в мембране позволяют частицам разного размера перемещаться по клетке, включая рибосомы, гранулы гликогена и липидные тела. Относительно большое расстояние между тилакоидами обеспечивает пространство для внешних светособирающих антенн, фикобилисом. Эта макроструктура, как и в случае с высшими растениями, проявляет некоторую гибкость при изменении физико-химической среды.
