Tylakoidit sisältävät monia integraali- ja perifeerisiä kalvoproteiineja sekä lumenin proteiineja. Viimeaikaiset proteomitutkimukset tylakoidifraktioista ovat antaneet lisätietoa tylakoidien proteiinikoostumuksesta. Nämä tiedot on koottu useisiin plastidiproteiinitietokantoihin, jotka ovat saatavilla verkossa.
Tutkimusten mukaan tylakoidien proteomi koostuu ainakin 335 eri proteiinista. Näistä 89 on lumenissa, 116 on integraalikalvoproteiineja, 62 on perifeerisiä proteiineja strooman puolella ja 68 perifeerisiä proteiineja lumenin puolella. Laskennallisilla menetelmillä voidaan ennustaa lisää lumenin proteiineja, joiden määrä on vähäinen. Niistä tylakoidiproteiineista, joiden tehtävät tunnetaan, 42 prosenttia osallistuu fotosynteesiin. Seuraavaksi suurimpiin funktionaalisiin ryhmiin kuuluvat proteiinit, jotka osallistuvat proteiinien kohdentamiseen, prosessointiin ja laskostamiseen 11 %:lla, hapetusstressivasteeseen (9 %) ja translaatioon (8 %).
Integraaliset membraaniproteiinitEdit
Tylakoidikalvot sisältävät integraalisia membraaniproteiineja, jotka ovat tärkeässä roolissa valon talteenotossa ja fotosynteesin valosta riippuvaisissa reaktioissa. Tylakoidikalvolla on neljä suurta proteiinikompleksia:
- Fotosysteemit I ja II
- Sytokromi b6f-kompleksi
- ATP-syntaasi
Fotosysteemi II sijaitsee enimmäkseen grana-tylakoideissa, kun taas fotosysteemi I:n ja ATP-syntaasin sijainti on enimmäkseen strooma-tylakoideissa ja granan ulommissa kerroksissa. Sytokromi b6f-kompleksi on jakautunut tasaisesti kaikkiin tylakoidikalvoihin. Koska nämä kaksi fotosysteemiä sijaitsevat erillään toisistaan tylakoidikalvojärjestelmässä, tarvitaan liikkuvia elektroninkuljettajia kuljettamaan elektroneja niiden välillä. Nämä kantajat ovat plastokinoni ja plastosyaniini. Plastokinoni kuljettaa elektroneja fotosysteemi II:sta sytokromi b6f-kompleksiin, kun taas plastosyaniini kuljettaa elektroneja sytokromi b6f-kompleksista fotosysteemi I:een.
Yhteenlaskettuna nämä proteiinit hyödyntävät valoenergiaa pyörittääkseen elektroninkuljetusketjuja, jotka synnyttävät kemosmoottisen potentiaalin tymakoidikalvon poikki ja terminaalisen redox-reaktion tuotteena syntyy NADPH:ta. ATP-syntaasi käyttää kemosmoottista potentiaalia tuottaakseen ATP:tä fotofosforylaation aikana.
PhotosystemsEdit
Fotosysteemit ovat valovoimaisia redox-keskuksia, joista kukin koostuu antennikompleksista, joka käyttää klorofylliä ja fotosynteettisiä lisäpigmenttejä, kuten karotenoideja ja fykobiliproteiineja, valon keräämiseen eri aallonpituuksilla. Kussakin antennikompleksissa on 250-400 pigmenttimolekyyliä, ja niiden absorboima energia siirretään resonanssienergiansiirron avulla kunkin fotosysteemin reaktiokeskuksessa olevaan erikoistuneeseen klorofylli a:han. Kun jompikumpi reaktiokeskuksen kahdesta klorofylli a-molekyylistä absorboi energiaa, elektroni innostuu ja siirtyy elektronin vastaanottajamolekyyliin. Fotosysteemi I:n reaktiokeskuksessa on klorofylli-a-molekyylipari P700, joka absorboi maksimaalisesti 700 nm:n valoa. Fotosysteemi II sisältää P680-klorofylliä, joka absorboi parhaiten 680 nm:n valoa (huomaa, että nämä aallonpituudet vastaavat syvää punaista – katso näkyvä spektri). P on lyhenne sanoista pigmentti ja numero on kunkin reaktiokeskuksen klorofyllimolekyylien absorptiohuippu nanometreinä. Tämä on kasveissa esiintyvä vihreä pigmentti, joka ei näy paljain silmin.
Sytokromi b6f-kompleksi Muokkaa
Sytokromi b6f-kompleksi on osa tymakoidin elektroninsiirtoketjua ja kytkee elektroninsiirron protonien pumppaamiseen tymakoidin lumeniin. Energisesti se sijaitsee kahden fotosysteemin välissä ja siirtää elektroneja fotosysteemi II:n plastokinonista plastosyaani-fotosysteemi I:lle.
ATP-syntaasiMuokkaa
Tylakoidin ATP-syntaasi on CF1FO-ATP-syntaasi, joka muistuttaa mitokondriaalista ATPaasia. Se on integroitunut tylakoidikalvoon CF1-osan ollessa kiinni stroomassa. ATP-synteesi tapahtuu siis tylakoidien stroomapuolella, jossa ATP:tä tarvitaan fotosynteesin valosta riippumattomiin reaktioihin.
Lumenin proteiinitMuutos
Elektroninkuljetusproteiini plastosyaniini on lumenissa ja se sukkuloi elektroneja sytokromi b6f -proteiinikompleksista fotosysteemi I:een. Kun plastokinonit ovat lipidiliukoisia ja liikkuvat siksi tylakoidikalvon sisällä, plastosyaniini liikkuu tylakoidilumenin läpi.
Tylakoidien lumenissa tapahtuu myös veden hapettuminen fotosysteemi II:n lumenin puoleiseen osaan liittyvän happea kehittävän kompleksin toimesta.
Lumenin proteiineja voidaan ennustaa laskennallisesti niiden kohdesignaalien perusteella. Arabidopsiksessa ennustetuista lumenaalisista proteiineista, joilla on Tat-signaali, suurimmat ryhmät, joilla on tunnetut toiminnot, ovat 19 %, jotka osallistuvat proteiinien prosessointiin (proteolyysi ja laskostuminen), 18 % fotosynteesiin, 11 % aineenvaihduntaan ja 7 % redox-kuljettajiin ja puolustukseen.
Proteiinien ilmentyminenTiedostoa
Kloroplasteilla on oma genominsa, joka koodaa useita tylakoidiproteiineja. Plastidien evoluution aikana niiden syanobakteeriperäisistä endosymbioottisista esi-isistä tapahtui kuitenkin laaja geeninsiirto kloroplastien genomista solun ytimeen. Tämän seurauksena neljä tärkeintä tylakoidiproteiinikompleksia koodataan osittain kloroplastin genomissa ja osittain ydingenomissa. Kasvit ovat kehittäneet useita mekanismeja, joilla ne voivat säädellä kahdessa eri organellissa koodattujen eri alayksiköiden ilmentymistä yhdessä varmistaakseen näiden proteiinikompleksien oikean stoikiometrian ja kokoonpanon. Esimerkiksi fotosynteesilaitteen osia koodaavien ydingeenien transkriptiota säätelee valo. Tylakoidiproteiinikompleksien biogeneesiä, stabiilisuutta ja vaihtuvuutta säädellään tylakoidikalvojen redox-herkkien kinaasien kautta tapahtuvalla fosforylaatiolla. Kloroplastien koodaamien proteiinien translaationopeutta säädellään kokoonpanokumppaneiden läsnäololla tai puuttumisella (synteesin epistasy-ohjaus). Tähän mekanismiin liittyy negatiivinen takaisinkytkentä, jossa ylimääräinen proteiini sitoutuu kloroplastin mRNA:n 5′ kääntämättömään alueeseen. Kloroplastien on myös tasapainotettava fotosysteemi I:n ja II:n suhteet elektroninsiirtoketjussa. Elektroninkuljettaja plastokinonin redox-tila tylakoidikalvolla vaikuttaa suoraan fotosysteemien reaktiokeskusten proteiineja koodaavien kloroplastigeenien transkriptioon, mikä tasapainottaa epätasapainoa elektroninsiirtoketjussa.
Proteiinien kohdentuminen tylakoideihinEdit
Tylakoidiproteiinit kohdistuvat määränpäähänsä signaalipeptidien ja prokaryoottityyppisten erittymisreittien kautta kloroplastin sisällä. Useimmat kasvin ydingenomin koodaamat tylakoidiproteiinit tarvitsevat kahta kohdentamissignaalia oikeaan lokalisaatioon: N-terminaalinen kloroplastin kohdistuspeptidi (kuvassa keltaisella), jota seuraa tylakoidin kohdistuspeptidi (sinisellä). Proteiinit tuodaan ulkoisen ja sisäisen kalvon (Toc ja Tic) kompleksien translokonin kautta. Kloroplastiin päästyään ensimmäinen kohdistuspeptidi pilkkoutuu proteaasin toimesta, joka käsittelee tuodut proteiinit. Tämä paljastaa toisen kohdentamissignaalin, ja proteiini viedään stroomasta tylakoidiin toisessa kohdentamisvaiheessa. Tämä toinen vaihe edellyttää tylakoidien proteiinien translokaatiokomponenttien toimintaa ja on energiasta riippuvainen. Proteiinit siirtyvät kalvoon SRP-riippuvaisen reitin (1), Tat-riippuvaisen reitin (2) tai spontaanisti transmembraanidomeeniensa kautta (ei esitetty kuvassa). Lumenaaliset proteiinit viedään tylakoidikalvon läpi lumeniin joko Tat-riippuvaista reittiä (2) tai Sec-riippuvaista reittiä (3) pitkin ja vapautuvat pilkkomalla tylakoidin kohdentumissignaalista. Eri reitit käyttävät erilaisia signaaleja ja energialähteitä. Sec (sekretorinen) reitti vaatii energialähteenä ATP:tä, ja se koostuu SecA:sta, joka sitoutuu tuotuun proteiiniin, ja Sec-kalvokompleksista, joka kuljettaa proteiinin läpi. Proteiinit, joiden tylakoidisignaalipeptidissä on kaksoisarginiinimotiivi, kuljetetaan Tat-reitin (twin arginine translocation) kautta, joka vaatii kalvoon sitoutuneen Tat-kompleksin ja pH-gradientin energianlähteenä. Jotkin muut proteiinit siirretään kalvoon SRP (signal recognition particle) -reitin kautta. Kloroplastin SRP voi olla vuorovaikutuksessa kohdeproteiiniensa kanssa joko posttranslationaalisesti tai co-translationaalisesti, jolloin se voi kuljettaa sekä maahantuotuja että kloroplastin sisällä käännettyjä proteiineja. SRP-reitti vaatii energialähteinä GTP:tä ja pH-gradienttia. Jotkin transmembraaniproteiinit voivat myös spontaanisti asettua kalvoon strooman puolelta ilman energiantarvetta.