Tylakoidy obsahují mnoho integrálních a periferních membránových proteinů a také lumenální proteiny. Nedávné proteomické studie tylakoidních frakcí poskytly další podrobnosti o složení proteinů v tylakoidech. Tyto údaje byly shrnuty v několika databázích plastidových proteinů, které jsou dostupné online.
Podle těchto studií se proteom tylakoidů skládá z nejméně 335 různých proteinů. Z nich se 89 nachází v lumen, 116 jsou integrální membránové proteiny, 62 jsou periferní proteiny na straně stromatu a 68 periferní proteiny na straně lumen. Další proteiny s nízkým výskytem na lumenální straně lze předpovědět pomocí výpočetních metod. Z thylakoidních proteinů se známou funkcí se 42 % podílí na fotosyntéze. Dalšími největšími funkčními skupinami jsou proteiny podílející se na cílení, zpracování a skládání proteinů s 11 %, reakce na oxidační stres (9 %) a translace (8 %).
Integrální membránové proteinyEdit
Tylakoidní membrány obsahují integrální membránové proteiny, které hrají důležitou roli při sklízení světla a reakcích fotosyntézy závislých na světle. V tylakoidní membráně se nacházejí čtyři hlavní proteinové komplexy:
- Fotosystémy I a II
- Komplex cytochromu b6f
- ATP syntáza
Fotosystém II se nachází převážně v grana thylakoidech, zatímco fotosystém I a ATP syntáza se nacházejí převážně ve stroma thylakoidech a vnějších vrstvách grana. Komplex cytochromu b6f je rovnoměrně rozmístěn po všech tylakoidních membránách. Vzhledem k oddělenému umístění obou fotosystémů v systému tylakoidních membrán jsou k přenosu elektronů mezi nimi zapotřebí mobilní nosiče elektronů. Těmito nosiči jsou plastochinon a plastocyanin. Plastochinon přenáší elektrony z fotosystému II do komplexu cytochromu b6f, zatímco plastocyanin přenáší elektrony z komplexu cytochromu b6f do fotosystému I.
Tyto proteiny společně využívají světelnou energii k pohonu řetězců pro přenos elektronů, které vytvářejí chemiosmotický potenciál přes thylakoidní membránu a NADPH, produkt terminální redoxní reakce. ATP syntáza využívá chemiosmotický potenciál k tvorbě ATP během fotofosforylace.
FotosystémyUpravit
Fotosystémy jsou světlem poháněná redoxní centra, z nichž každé se skládá z anténního komplexu, který využívá chlorofyly a doplňkové fotosyntetické pigmenty, jako jsou karotenoidy a fykobiliproteiny, ke sběru světla různých vlnových délek. Každý anténní komplex má 250 až 400 molekul pigmentů a energie, kterou absorbují, je přenášena rezonančním přenosem energie do specializovaného chlorofylu a v reakčním centru každého fotosystému. Když některá ze dvou molekul chlorofylu a v reakčním centru absorbuje energii, dojde k excitaci elektronu a jeho přenosu na molekulu akceptoru elektronů. Fotosystém I obsahuje v reakčním centru dvojici molekul chlorofylu a, označenou P700, která maximálně absorbuje světlo o vlnové délce 700 nm. Fotosystém II obsahuje chlorofyl P680, který nejlépe absorbuje světlo 680 nm (všimněte si, že tyto vlnové délky odpovídají tmavě červené barvě – viz viditelné spektrum). P je zkratka pro pigment a číslo představuje specifický absorpční pík v nanometrech pro molekuly chlorofylu v každém reakčním centru. Jedná se o zelený pigment přítomný v rostlinách, který není viditelný zrakem bez obsluhy.
Komplex cytochromu b6fUpravit
Komplex cytochromu b6f je součástí thylakoidního elektronového transportního řetězce a spojuje přenos elektronů s čerpáním protonů do thylakoidního lumen. Energeticky se nachází mezi oběma fotosystémy a přenáší elektrony z fotosystému II-plastochinonu na plastocyanin-fotosystém I.
ATP syntázaUpravit
Tylakoidní ATP syntáza je CF1FO-ATP syntáza podobná mitochondriální ATPáze. Je integrována do thylakoidní membrány, přičemž část CF1 ulpívá ve stromatu. K syntéze ATP tedy dochází na stromální straně thylakoidů, kde je ATP potřebný pro reakce fotosyntézy nezávislé na světle.
Lumenové proteinyEdit
Elektronový transportní protein plastocyanin je přítomen v lumenu a přenáší elektrony z bílkovinného komplexu cytochromu b6f do fotosystému I. Zatímco plastochinony jsou rozpustné v lipidech, a proto se pohybují uvnitř tylakoidní membrány, plastocyanin se pohybuje přes lumen tylakoidů.
Lumen tylakoidů je také místem oxidace vody komplexem vyvíjejícím kyslík, který je spojen s lumenální stranou fotosystému II.
Lumenální proteiny lze předpovědět výpočetně na základě jejich cílových signálů. V Arabidopsis jsou z předpovězených lumenálních proteinů, které mají signál Tat, největší skupiny se známými funkcemi: 19 % se podílí na zpracování proteinů (proteolýza a skládání), 18 % na fotosyntéze, 11 % na metabolismu a 7 % na redoxních přenašečích a obraně.
Exprese proteinůEdit
Chloroplasty mají vlastní genom, který kóduje řadu thylakoidních proteinů. V průběhu evoluce plastidů z jejich sinicových endosymbiotických předků však došlo k rozsáhlému přenosu genů z chloroplastového genomu do buněčného jádra. Výsledkem je, že čtyři hlavní tylakoidní proteinové komplexy jsou zčásti kódovány chloroplastovým genomem a zčásti jaderným genomem. Rostliny vyvinuly několik mechanismů pro společnou regulaci exprese různých podjednotek kódovaných ve dvou různých organelách, aby zajistily správnou stechiometrii a sestavení těchto proteinových komplexů. Například transkripce jaderných genů kódujících části fotosyntetického aparátu je regulována světlem. Biogeneze, stabilita a obrat tylakoidních proteinových komplexů jsou regulovány fosforylací prostřednictvím redoxně citlivých kináz v tylakoidních membránách. Rychlost translace proteinů kódovaných chloroplasty je řízena přítomností nebo nepřítomností montážních partnerů (řízení pomocí epistáze syntézy). Tento mechanismus zahrnuje negativní zpětnou vazbu prostřednictvím vazby přebytečného proteinu na 5′ nepřekládanou oblast chloroplastové mRNA. Chloroplasty také musí vyrovnávat poměry fotosystémů I a II pro řetězec přenosu elektronů. Redoxní stav přenašeče elektronů plastochinonu v tylakoidní membráně přímo ovlivňuje transkripci chloroplastových genů kódujících proteiny reakčních center fotosystémů, čímž se vyrovnává nerovnováha v řetězci přenosu elektronů.
Cílení proteinů do tylakoidůEdit
Tylakoidní proteiny jsou cíleny na místo určení prostřednictvím signálních peptidů a sekrečních drah prokaryotického typu uvnitř chloroplastu. Většina tylakoidních proteinů kódovaných jaderným genomem rostliny potřebuje pro správnou lokalizaci dva cílové signály: N-koncový chloroplastový cílový peptid (na obrázku znázorněn žlutě) a následně tylakoidní cílový peptid (znázorněn modře). Proteiny jsou importovány prostřednictvím translokonu komplexů vnější a vnitřní membrány (Toc a Tic). Po vstupu do chloroplastu je první cílový peptid odštěpen proteázou zpracovávající importované proteiny. Tím se odmaskuje druhý cílový signál a protein je ve druhém cílovém kroku exportován ze stromatu do thylakoidu. Tento druhý krok vyžaduje působení translokačních složek proteinů v tylakoidech a je energeticky závislý. Proteiny jsou do membrány vkládány cestou závislou na SRP (1), cestou závislou na Tat (2) nebo spontánně prostřednictvím svých transmembránových domén (na obrázku nezobrazeno). Lumenální proteiny jsou exportovány přes thylakoidní membránu do lumen buď cestou závislou na Tat (2), nebo cestou závislou na Sec (3) a uvolněny odštěpením od thylakoidního cílového signálu. Různé dráhy využívají různé signály a zdroje energie. Sec (sekreční) dráha vyžaduje jako zdroj energie ATP a skládá se ze SecA, který se váže na importovaný protein, a membránového komplexu Sec, který protein přesouvá. Proteiny s dvojitým argininovým motivem v tylakoidním signálním peptidu jsou přepravovány cestou Tat (translokace dvojitého argininu), která vyžaduje membránově vázaný komplex Tat a gradient pH jako zdroj energie. Některé jiné proteiny se do membrány dostávají cestou SRP (signal recognition particle). Chloroplastový SRP může interagovat s cílovými proteiny buď posttranslačně, nebo ko-translačně, a přenášet tak importované proteiny i ty, které jsou překládány uvnitř chloroplastu. Dráha SRP vyžaduje jako zdroj energie GTP a gradient pH. Některé transmembránové proteiny se mohou také spontánně vkládat do membrány ze stromální strany bez potřeby energie
.