Thylakoide enthalten viele integrale und periphere Membranproteine sowie lumenale Proteine. Jüngste Proteomics-Studien von Thylakoidfraktionen haben weitere Details über die Proteinzusammensetzung der Thylakoide geliefert. Diese Daten wurden in mehreren Plastiden-Protein-Datenbanken zusammengefasst, die online verfügbar sind.
Nach diesen Studien besteht das Thylakoid-Proteom aus mindestens 335 verschiedenen Proteinen. Davon befinden sich 89 im Lumen, 116 sind integrale Membranproteine, 62 sind periphere Proteine auf der Stromaseite und 68 periphere Proteine auf der Lumenseite. Weitere Proteine mit geringer Häufigkeit im Lumen können mit Hilfe von Berechnungsmethoden vorhergesagt werden. Von den Thylakoidproteinen mit bekannten Funktionen sind 42 % an der Photosynthese beteiligt. Zu den nächstgrößeren Funktionsgruppen gehören Proteine, die mit 11 % an der Ausrichtung, Verarbeitung und Faltung von Proteinen, mit 9 % an der Reaktion auf oxidativen Stress und mit 8 % an der Translation beteiligt sind.
Integrale MembranproteineBearbeiten
Thylakoidmembranen enthalten integrale Membranproteine, die eine wichtige Rolle bei der Lichtsammlung und den lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese spielen. Es gibt vier Hauptproteinkomplexe in der Thylakoidmembran:
- Photosysteme I und II
- Cytochrom b6f-Komplex
- ATP-Synthase
Das Photosystem II befindet sich hauptsächlich in den Grana-Thylakoiden, während sich Photosystem I und ATP-Synthase hauptsächlich in den Stroma-Thylakoiden und den äußeren Schichten der Grana befinden. Der Cytochrom b6f-Komplex ist gleichmäßig über die Thylakoidmembranen verteilt. Aufgrund der getrennten Anordnung der beiden Photosysteme im Thylakoidmembransystem sind mobile Elektronenträger erforderlich, um Elektronen zwischen ihnen hin und her zu transportieren. Diese Träger sind Plastochinon und Plastocyanin. Plastochinon transportiert Elektronen vom Photosystem II zum Cytochrom b6f-Komplex, während Plastocyanin Elektronen vom Cytochrom b6f-Komplex zum Photosystem I überträgt.
Zusammen nutzen diese Proteine die Lichtenergie, um Elektronentransportketten anzutreiben, die ein chemiosmotisches Potential über die Thylakoidmembran und NADPH, ein Produkt der terminalen Redoxreaktion, erzeugen. Die ATP-Synthase nutzt das chemiosmotische Potenzial, um während der Photophosphorylierung ATP herzustellen.
PhotosystemeBearbeiten
Diese Photosysteme sind lichtgesteuerte Redoxzentren, die jeweils aus einem Antennenkomplex bestehen, der Chlorophylle und zusätzliche photosynthetische Pigmente wie Carotinoide und Phycobiliproteine verwendet, um Licht bei einer Vielzahl von Wellenlängen zu sammeln. Jeder Antennenkomplex besteht aus 250 bis 400 Pigmentmolekülen, und die von ihnen absorbierte Energie wird durch Resonanzenergieübertragung an ein spezialisiertes Chlorophyll a im Reaktionszentrum jedes Photosystems weitergeleitet. Wenn eines der beiden Chlorophyll-a-Moleküle im Reaktionszentrum Energie absorbiert, wird ein Elektron angeregt und auf ein Elektronenakzeptormolekül übertragen. Photosystem I enthält in seinem Reaktionszentrum ein Paar Chlorophyll-a-Moleküle mit der Bezeichnung P700, das maximal 700 nm Licht absorbiert. Photosystem II enthält Chlorophyll P680, das Licht mit einer Wellenlänge von 680 nm am besten absorbiert (beachten Sie, dass diese Wellenlängen dem tiefen Rot entsprechen – siehe das sichtbare Spektrum). Das P steht für Pigment und die Zahl ist der spezifische Absorptionspeak in Nanometern für die Chlorophyllmoleküle in jedem Reaktionszentrum. Dies ist das grüne Pigment in Pflanzen, das mit bloßem Auge nicht sichtbar ist.
Cytochrom b6f complexEdit
Der Cytochrom b6f-Komplex ist Teil der thylakoiden Elektronentransportkette und koppelt den Elektronentransfer an das Pumpen von Protonen in das Thylakoidlumen. Energetisch ist er zwischen den beiden Photosystemen angesiedelt und überträgt Elektronen von Photosystem II-Plastochinon auf Plastocyanin-Photosystem I.
ATP-SynthaseBearbeiten
Die thylakoide ATP-Synthase ist eine CF1FO-ATP-Synthase ähnlich der mitochondrialen ATPase. Sie ist in die Thylakoidmembran integriert, wobei der CF1-Teil in das Stroma ragt. Die ATP-Synthese findet also auf der Stromaseite der Thylakoide statt, wo das ATP für die lichtunabhängigen Reaktionen der Photosynthese benötigt wird.
LumenproteineEdit
Das Elektronentransportprotein Plastocyanin befindet sich im Lumen und transportiert Elektronen vom Cytochrom b6f-Proteinkomplex zum Photosystem I. Während Plastochinone lipidlöslich sind und sich daher innerhalb der Thylakoidmembran bewegen, bewegt sich Plastocyanin durch das Thylakoidlumen.
Das Lumen der Thylakoide ist auch der Ort der Wasseroxidation durch den sauerstoffentwickelnden Komplex, der mit der lumenalen Seite des Photosystems II assoziiert ist.
Lumenproteine können auf der Grundlage ihrer Zielsignale rechnerisch vorhergesagt werden. In Arabidopsis sind von den vorhergesagten lumenalen Proteinen, die das Tat-Signal besitzen, die größten Gruppen mit bekannten Funktionen zu 19 % an der Proteinverarbeitung (Proteolyse und Faltung), zu 18 % an der Photosynthese, zu 11 % am Stoffwechsel und zu 7 % an Redox-Trägern und der Verteidigung beteiligt.
ProteinexpressionEdit
Chloroplasten haben ihr eigenes Genom, das für eine Reihe von Thylakoidproteinen kodiert. Im Laufe der Evolution der Plastiden aus ihren cyanobakteriellen endosymbiotischen Vorfahren fand jedoch ein umfangreicher Gentransfer vom Chloroplastengenom in den Zellkern statt. Dies führt dazu, dass die vier großen Thylakoidproteinkomplexe zum Teil vom Chloroplastengenom und zum Teil vom Kerngenom kodiert werden. Pflanzen haben mehrere Mechanismen entwickelt, um die Expression der verschiedenen Untereinheiten, die in den beiden unterschiedlichen Organellen kodiert werden, zu ko-regulieren, um die richtige Stöchiometrie und den Zusammenbau dieser Proteinkomplexe zu gewährleisten. So wird beispielsweise die Transkription von Kerngenen, die für Teile des Photosyntheseapparats kodieren, durch Licht reguliert. Biogenese, Stabilität und Umsatz der Thylakoidproteinkomplexe werden durch Phosphorylierung über redoxsensitive Kinasen in den Thylakoidmembranen reguliert. Die Translationsrate der für Chloroplasten kodierten Proteine wird durch das Vorhandensein oder Fehlen von Assemblierungspartnern gesteuert (Kontrolle durch Epistasie der Synthese). Dieser Mechanismus beinhaltet eine negative Rückkopplung durch Bindung von überschüssigem Protein an die 5′-untranslatierte Region der Chloroplasten-mRNA. Chloroplasten müssen auch die Verhältnisse von Photosystem I und II für die Elektronentransferkette ausgleichen. Der Redoxzustand des Elektronenüberträgers Plastochinon in der Thylakoidmembran wirkt sich direkt auf die Transkription von Chloroplastengenen aus, die für Proteine der Reaktionszentren der Photosysteme kodieren, und wirkt so Ungleichgewichten in der Elektronenübertragungskette entgegen.
Protein-Targeting zu den ThylakoidenEdit
Thylakoidproteine werden über Signalpeptide und prokaryotische Sekretionswege innerhalb des Chloroplasten an ihren Bestimmungsort gebracht. Die meisten Thylakoidproteine, die vom Kerngenom einer Pflanze kodiert werden, benötigen zwei Zielsignale für die richtige Lokalisierung: Ein N-terminales Chloroplasten-Zielpeptid (in der Abbildung gelb dargestellt), gefolgt von einem Thylakoid-Zielpeptid (blau dargestellt). Die Proteine werden durch das Translocon der äußeren und inneren Membran (Toc- und Tic-Komplexe) importiert. Nach dem Eintritt in den Chloroplasten wird das erste Targeting-Peptid von einer Protease, die importierte Proteine verarbeitet, abgespalten. Dadurch wird das zweite Targeting-Signal demaskiert, und das Protein wird in einem zweiten Targeting-Schritt aus dem Stroma in das Thylakoid exportiert. Dieser zweite Schritt erfordert die Wirkung von Proteintranslokationskomponenten der Thylakoide und ist energieabhängig. Proteine werden über den SRP-abhängigen Weg (1), den Tat-abhängigen Weg (2) oder spontan über ihre Transmembrandomänen (in der Abbildung nicht dargestellt) in die Membran eingebaut. Lumenale Proteine werden entweder über den Tat-abhängigen Weg (2) oder den Sec-abhängigen Weg (3) durch die Thylakoidmembran in das Lumen exportiert und durch Abspaltung vom Thylakoid-Zielsignal freigesetzt. Die verschiedenen Wege nutzen unterschiedliche Signale und Energiequellen. Der Sec (sekretorische) Weg benötigt ATP als Energiequelle und besteht aus SecA, das an das importierte Protein bindet, und einem Sec-Membrankomplex, der das Protein über die Membran transportiert. Proteine mit einem Zwillings-Arginin-Motiv in ihrem Thylakoid-Signalpeptid werden über den Tat-Weg (Zwillings-Arginin-Translokation) transportiert, der einen membrangebundenen Tat-Komplex und den pH-Gradienten als Energiequelle benötigt. Einige andere Proteine werden über den SRP-Weg (signal recognition particle) in die Membran eingebaut. Das Chloroplasten-SRP kann mit seinen Zielproteinen entweder posttranslational oder kotranslational interagieren und so sowohl importierte als auch im Chloroplasten übersetzte Proteine transportieren. Der SRP-Weg benötigt GTP und den pH-Gradienten als Energiequellen. Einige Transmembranproteine können auch spontan von der Stromaseite aus in die Membran eingebaut werden, ohne dass dafür Energie benötigt wird.