Thylakoider innehåller många integrala och perifera membranproteiner samt lumenala proteiner. Nyligen genomförda proteomikstudier av thylakoidfraktioner har gett ytterligare detaljer om proteinsammansättningen i thylakoiderna. Dessa data har sammanfattats i flera plastidproteindatabaser som finns tillgängliga online.
Enligt dessa studier består thylakoidproteomet av minst 335 olika proteiner. Av dessa finns 89 i lumen, 116 är integrala membranproteiner, 62 är perifera proteiner på stromasidan och 68 perifera proteiner på lumensidan. Ytterligare lumenproteiner med låg förekomst kan förutsägas med hjälp av beräkningsmetoder. Av de thylakoidproteiner med kända funktioner är 42 % involverade i fotosyntesen. De näst största funktionella grupperna omfattar proteiner som är involverade i målinriktning, bearbetning och veckning av proteiner med 11 %, oxidativ stressreaktion (9 %) och translation (8 %).
Integrala membranproteinerRedigera
Thylakoidmembranen innehåller integrala membranproteiner som spelar en viktig roll i ljusinsamlingen och de ljusberoende reaktionerna i fotosyntesen. Det finns fyra större proteinkomplex i thylakoidmembranet:
- Fotosystem I och II
- Cytokrom b6f-komplexet
- ATP-syntas
Fotosystem II finns mestadels i grana-thylakoiderna, medan fotosystem I och ATP-syntas mestadels finns i stroma-thylakoiderna och de yttre lagren av grana. Cytokrom b6f-komplexet är jämnt fördelat i thylakoidmembranen. På grund av den separata placeringen av de två fotosystemen i thylakoidmembransystemet krävs mobila elektronbärare för att transportera elektroner mellan dem. Dessa elektronbärare är plastoquinon och plastocyanin. Plastoquinon skyttlar elektroner från fotosystem II till cytokrom b6f-komplexet, medan plastocyanin transporterar elektroner från cytokrom b6f-komplexet till fotosystem I.
Tillsammans utnyttjar dessa proteiner ljusenergin för att driva elektrontransportkedjor som genererar en kemiosmotisk potential över thylakoidmembranet och NADPH, en produkt från den terminala redoxreaktionen. ATP-syntaset använder den chemiosmotiska potentialen för att göra ATP under fotofosforylering.
PhotosystemsEdit
Fotosystemen är ljusdrivna redoxcentra som var och en består av ett antennkomplex som använder klorofyller och accessoriska fotosyntetiska pigment som karotenoider och fykobiliproteiner för att skörda ljus vid en mängd olika våglängder. Varje antennkomplex har mellan 250 och 400 pigmentmolekyler och den energi som de absorberar skickas genom resonansenergiöverföring till ett specialiserat klorofyll a i reaktionscentrumet i varje fotosystem. När någon av de två klorofyll a-molekylerna i reaktionscentrumet absorberar energi, exciteras en elektron och överförs till en elektronmottagarmolekyl. Fotosystem I innehåller ett par klorofyll a-molekyler, benämnda P700, vid sitt reaktionscentrum som maximalt absorberar 700 nm ljus. Fotosystem II innehåller P680 klorofyll som absorberar 680 nm ljus bäst (observera att dessa våglängder motsvarar djuprött – se det synliga spektrumet). P är en förkortning för pigment och siffran är den specifika absorptionstoppen i nanometer för klorofyllmolekylerna i varje reaktionscentrum. Detta är det gröna pigmentet som finns i växter och som inte är synligt med blotta ögat.
Cytokrom b6f-komplexEdit
Cytokrom b6f-komplexet är en del av den thylakoida elektrontransportkedjan och kopplar elektronöverföring till pumpning av protoner in i thylakoidlumen. Energimässigt ligger det mellan de två fotosystemen och överför elektroner från fotosystem II-plastoquinon till plastocyanin-fotosystem I.
ATP-syntasRedigera
Tylakoidernas ATP-syntas är ett CF1FO-ATP-syntas som liknar mitokondriernas ATPas. Det är integrerat i thylakoidmembranet med CF1-delen som sticker in i stroma. ATP-syntesen sker således på stromasidan av thylakoiderna där ATP behövs för fotosyntesens ljusoberoende reaktioner.
LumenproteinerRedigera
Elektrontransportproteinet plastocyanin finns i lumen och transporterar elektroner från proteinkomplexet cytokrom b6f till fotosystem I. Medan plastoquinoner är lipidlösliga och därför rör sig inom thylakoidmembranet, rör sig plastocyanin genom thylakoidlumen.
Tylakoidernas lumen är också platsen för vattenoxidation av det syreutvecklande komplexet som är förknippat med den lumenala sidan av fotosystem II.
Lumenala proteiner kan förutsägas genom beräkning baserat på deras målsignaler. I Arabidopsis är de största grupperna med kända funktioner av de förutspådda lumenala proteiner som har Tat-signalen, 19 % involverade i proteinbearbetning (proteolys och veckning), 18 % i fotosyntesen, 11 % i ämnesomsättningen och 7 % redoxbärare och försvar.
ProteinuttryckRedigera
Khloroplasterna har ett eget genom, som kodar för ett antal thylakoidproteiner. Under plastidutvecklingen från deras cyanobakteriella endosymbiotiska förfäder skedde dock en omfattande genöverföring från kloroplastgenomet till cellkärnan. Detta resulterar i att de fyra stora thylakoidproteinkomplexen delvis kodas av kloroplastgenomet och delvis av kärngenomet. Växter har utvecklat flera mekanismer för att samreglera uttrycket av de olika underenheter som kodas i de två olika organellerna för att säkerställa en korrekt stökiometri och sammansättning av dessa proteinkomplex. Till exempel regleras transkriptionen av kärngener som kodar för delar av fotosyntesapparaten av ljuset. Biogenes, stabilitet och omsättning av thylakoidproteinkomplex regleras genom fosforylering via redoxkänsliga kinaser i thylakoidmembranen. Översättningshastigheten för kloroplastkodade proteiner styrs av närvaron eller frånvaron av sammansättningspartners (kontroll genom epistasy av syntesen). Denna mekanism inbegriper negativ återkoppling genom bindning av överskottsprotein till den 5′ otranslaterade regionen av kloroplastens mRNA. Kloroplasterna måste också balansera förhållandet mellan fotosystem I och II för elektronöverföringskedjan. Redoxtillståndet hos elektronbäraren plastoquinon i thylakoidmembranet påverkar direkt transkriptionen av kloroplastgener som kodar för proteiner i fotosystemens reaktionscentra, vilket motverkar obalanser i elektronöverföringskedjan.
Proteinriktning till thylakoidernaRedigera
Thylakoidproteiner riktas till sin destination via signalpeptider och sekretoriska vägar av prokaryotisk typ inne i kloroplasten. De flesta thylakoidproteiner som kodas av en växts kärngenom behöver två målsignaler för korrekt lokalisering: En N-terminal kloroplastmålpeptid (gul i figuren), följt av en thylakoidmålpeptid (blå). Proteiner importeras genom transloconen i de yttre och inre membrankomplexen (Toc och Tic). Efter att ha kommit in i kloroplasten klyvs den första målpeptiden av ett proteas som bearbetar importerade proteiner. Detta avslöjar den andra målsignalen och proteinet exporteras från stroma till thylakoiden i ett andra målsättningssteg. Detta andra steg kräver att thylakoidernas proteintranslokationskomponenter agerar och är energiberoende. Proteiner förs in i membranet via den SRP-beroende vägen (1), den Tat-beroende vägen (2) eller spontant via sina transmembrandomäner (visas inte i figuren). Lumenala proteiner exporteras genom thylakoidmembranet in i lumen genom antingen den Tat-beroende vägen (2) eller den Sec-beroende vägen (3) och frigörs genom klyvning från thylakoidmålsignalen. De olika vägarna utnyttjar olika signaler och energikällor. Sec-vägen (sekretorisk väg) kräver ATP som energikälla och består av SecA, som binder till det importerade proteinet och ett Sec-membrankomplex för att transportera proteinet över. Proteiner med ett tvillingargininmotiv i sin signalpeptid i thylakoiden transporteras genom Tat-vägen (twin arginine translocation), som kräver ett membranbundet Tat-komplex och pH-gradienten som energikälla. Vissa andra proteiner förs in i membranet via SRP-vägen (signal recognition particle). Kloroplastens SRP kan interagera med sina målproteiner antingen posttranslationellt eller samtranslationellt och på så sätt transportera importerade proteiner såväl som de som översätts inne i kloroplasten. SRP-vägen kräver GTP och pH-gradienten som energikällor. Vissa transmembranproteiner kan också spontant infogas i membranet från stromalsidan utan energibehov.