Thylakoïden bevatten veel integrale en perifere membraaneiwitten, alsook lumenale eiwitten. Recente proteomics-studies van thylakoïdfracties hebben meer details opgeleverd over de eiwitsamenstelling van de thylakoïden. Deze gegevens zijn samengevat in verschillende plastid proteïne databases die online beschikbaar zijn.
Volgens deze studies bestaat het thylakoïd proteoom uit tenminste 335 verschillende proteïnen. Hiervan bevinden zich 89 in het lumen, 116 zijn integrale membraaneiwitten, 62 zijn perifere eiwitten aan de stroma zijde, en 68 perifere eiwitten aan de lumenale zijde. Extra lumenale eiwitten met een lage overvloed kunnen worden voorspeld met behulp van computationele methoden. Van de thylakoïd-eiwitten met bekende functies is 42% betrokken bij de fotosynthese. De volgende grootste functionele groepen zijn eiwitten betrokken bij eiwit targeting, verwerking en vouwing met 11%, oxidatieve stress respons (9%) en vertaling (8%).
Integrale membraan eiwittenEdit
Thylakoïd membranen bevatten integrale membraan eiwitten die een belangrijke rol spelen in licht-oogst en de licht-afhankelijke reacties van fotosynthese. Er zijn vier belangrijke eiwitcomplexen in het thylakoïdmembraan:
- Fotosystemen I en II
- Cytochroom b6f-complex
- ATP-synthase
Fotosysteem II bevindt zich voornamelijk in de grana thylakoïden, terwijl fotosysteem I en ATP-synthase zich voornamelijk in de stroma thylakoïden en de buitenste lagen van de grana bevinden. Het cytochroom b6f-complex is gelijkmatig over de thylakoïdemembranen verdeeld. Door de gescheiden locatie van de twee fotosystemen in het thylakoïdmembraansysteem zijn mobiele elektronendragers nodig om elektronen tussen beide systemen over te brengen. Deze dragers zijn plastochinon en plastocyanine. Plastoquinone transporteert elektronen van fotosysteem II naar het cytochroom b6f complex, terwijl plastocyanine elektronen transporteert van het cytochroom b6f complex naar fotosysteem I.
Samen maken deze eiwitten gebruik van lichtenergie om elektronentransportketens aan te drijven die een chemiosmotische potentiaal over het thylakoïdmembraan genereren en NADPH, een product van de eindredoxreactie. De ATP synthase gebruikt de chemiosmotische potentiaal om ATP te maken tijdens fotofosforylering.
FotosystemenEdit
De fotosystemen zijn door licht aangedreven redoxcentra, die elk bestaan uit een antennecomplex dat chlorofylen en bijkomende fotosynthetische pigmenten zoals carotenoïden en fycobiliproteïnen gebruikt om licht op verschillende golflengten te oogsten. Elk antennecomplex heeft tussen 250 en 400 pigmentmoleculen en de energie die zij absorberen wordt via resonantie-energieoverdracht doorgegeven aan een gespecialiseerd chlorofyl a in het reactiecentrum van elk fotosysteem. Wanneer een van de twee chlorofyl a-moleculen in het reactiecentrum energie absorbeert, wordt een elektron geëxciteerd en overgebracht naar een elektronen-acceptormolecuul. Fotosysteem I bevat in het reactiecentrum een paar chlorofyl a-moleculen, P700 genaamd, dat licht van 700 nm maximaal absorbeert. Fotosysteem II bevat P680 chlorofyl dat het licht van 680 nm het best absorbeert (merk op dat deze golflengten overeenkomen met dieprood – zie het zichtbare spectrum). De P staat voor pigment en het getal is de specifieke absorptiepiek in nanometer voor de chlorofylmoleculen in elk reactiecentrum. Dit is het groene pigment dat in planten aanwezig is en dat met het blote oog niet zichtbaar is.
Cytochroom b6f complexEdit
Het cytochroom b6f-complex maakt deel uit van de thylakoïde elektronentransportketen en koppelt elektronenoverdracht aan het pompen van protonen in het thylakoïde lumen. Energetisch gezien bevindt het zich tussen de twee fotosystemen en draagt elektronen over van fotosysteem II-plastoquinone naar plastocyanine-fotosysteem I.
ATP synthaseEdit
Het thylakoïde ATP synthase is een CF1FO-ATP synthase vergelijkbaar met het mitochondriale ATPase. Het is geïntegreerd in het thylakoïd membraan waarbij het CF1-deel in het stroma steekt. De ATP-synthese vindt dus plaats aan de stromale zijde van de thylakoïden, waar het ATP nodig is voor de lichtonafhankelijke reacties van de fotosynthese.
Eiwitten in het lumenEdit
Het elektronentransporteiwit plastocyanine is aanwezig in het lumen en pendelt elektronen van het cytochroom b6f eiwitcomplex naar fotosysteem I. Terwijl plasto-chinonen oplosbaar zijn in lipiden en zich daarom binnen het thylakoïd-membraan bewegen, beweegt plastocyanine zich door het thylakoïd-lumen.
Het lumen van de thylakoïden is ook de plaats waar water wordt geoxideerd door het zuurstof evoluerende complex dat geassocieerd is met de lumenale zijde van fotosysteem II.
Lumenale eiwitten kunnen computationeel worden voorspeld op basis van hun targeting-signalen. In Arabidopsis zijn van de voorspelde lumenale eiwitten die het Tat-signaal bezitten, de grootste groepen met bekende functies: 19% betrokken bij eiwitverwerking (proteolyse en vouwing), 18% bij fotosynthese, 11% bij metabolisme, en 7% redox-dragers en verdediging.
EiwitexpressieEdit
Chloroplasten hebben hun eigen genoom, dat codeert voor een aantal thylakoïd-eiwitten. In de loop van de evolutie van de plastiden vanuit hun cyanobacteriële endosymbiotische voorouders heeft echter een uitgebreide genoverdracht van het chloroplastengenoom naar de celkern plaatsgevonden. Dit heeft ertoe geleid dat de vier belangrijkste thylakoïde eiwitcomplexen gedeeltelijk door het chloroplastgenoom en gedeeltelijk door het kerngenoom worden gecodeerd. Planten hebben verschillende mechanismen ontwikkeld om de expressie van de verschillende subeenheden die in de twee verschillende organellen zijn gecodeerd, te co-reguleren om de juiste stoichiometrie en assemblage van deze eiwitcomplexen te verzekeren. Zo wordt bijvoorbeeld de transcriptie van nucleaire genen die coderen voor delen van het fotosynthese-apparaat, gereguleerd door licht. Biogenese, stabiliteit en omzet van thylakoïde eiwitcomplexen worden gereguleerd door fosforylering via redox-gevoelige kinasen in de thylakoïde membranen. De translatiesnelheid van chloroplast-gecodeerde eiwitten wordt gecontroleerd door de aan- of afwezigheid van assemblagepartners (controle door epistasie van synthese). Dit mechanisme omvat negatieve feedback door binding van overtollig eiwit aan de 5′-onvertaalde regio van het chloroplast-mRNA. Chloroplasten moeten ook de verhoudingen van fotosysteem I en II voor de elektronenoverdrachtsketen in evenwicht houden. De redox-toestand van de elektrondrager plastoquinone in het thylakoïdmembraan beïnvloedt rechtstreeks de transcriptie van chloroplastgenen die coderen voor eiwitten van de reactiecentra van de fotosystemen, waardoor onevenwichtigheden in de elektronenoverdrachtsketen worden tegengegaan.
Eiwit targeting naar de thylakoïdenEdit
Thylakoïd-eiwitten worden naar hun bestemming geleid via signaalpeptiden en secretorische routes van het prokaryotic-type binnen de chloroplast. De meeste thylakoïd-eiwitten die door het kerngenoom van een plant worden gecodeerd, hebben twee richtsignalen nodig voor een goede lokalisatie: Een N-terminaal chloroplast targeting peptide (in geel in de figuur), gevolgd door een thylakoid targeting peptide (in blauw). Eiwitten worden geïmporteerd via de translocon van de buitenste en binnenste membraancomplexen (Toc en Tic). Na binnenkomst in de chloroplast wordt het eerste peptide afgesplitst door een protease dat de geïmporteerde eiwitten verwerkt. Dit ontmaskert het tweede targeting signaal en het eiwit wordt geëxporteerd van de stroma naar de thylakoïde in een tweede targeting stap. Deze tweede stap vereist de werking van eiwit-translocatiecomponenten van de thylakoïden en is energie-afhankelijk. Eiwitten worden in het membraan gebracht via de SRP-afhankelijke route (1), de Tat-afhankelijke route (2), of spontaan via hun transmembraandomeinen (niet afgebeeld in de figuur). Lumenale eiwitten worden via de Tat-afhankelijke route (2) of de Sec-afhankelijke route (3) over het thylakoïd membraan naar het lumen geëxporteerd en door splitsing van het thylakoïd targeting signaal vrijgemaakt. De verschillende routes maken gebruik van verschillende signalen en energiebronnen. De Sec-route (secretorische route) vereist ATP als energiebron en bestaat uit SecA, dat bindt aan het geïmporteerde eiwit en een Sec-membraancomplex om het eiwit naar de andere kant te transporteren. Eiwitten met een dubbel argininemotief in hun thylakoïd-signaalpeptide worden gependeld via de Tat-route (twin arginine translocation), die een membraangebonden Tat-complex en de pH-gradiënt als energiebron vereist. Sommige andere eiwitten worden in het membraan gebracht via de SRP (signal recognition particle) pathway. Het chloroplast SRP kan post-translationeel of co-translationeel interageren met zijn doeleiwitten, waardoor het zowel geïmporteerde eiwitten transporteert als eiwitten die binnen de chloroplast worden vertaald. De SRP route vereist GTP en de pH gradiënt als energiebronnen. Sommige transmembraaneiwitten kunnen ook spontaan in het membraan invoegen vanaf de stromale zijde zonder dat energie nodig is.