Что известно о наследственном аппарате хлоропластов

Тилакоиды — это структурные компоненты хлоропластов

Хлоропласты являются мембранными структурами, в которых происходит фотосинтез. Этот процесс у высших растений и цианобактерий позволил планете сохранить способность поддерживать жизнь за счет утилизации углекислого газа и восполнения концентрации кислорода. Сам фотосинтез происходит в таких структурах, как тилакоиды. Это мембранные «модули» хлоропластов, в которых протекает перенос протонов, фотолиз воды, синтез глюкозы и АТФ.

Строение хлоропластов растений

Хлоропластами называются двухмембранные структуры, которые расположены в цитоплазме растительных клеток и хламидомонад. В отличие от них, клетки цианобактерий осуществляют фотосинтез в тилакоидах, а не в хлоропластах. Это пример низкоразвитого организма, который способен обеспечивать свое питание за счет ферментов фотосинтеза, расположенных на впячиваниях цитоплазмы.

По своей структуре хлоропласт является двухмембранной органеллой в виде пузырька. Они в большом количестве расположены в клетках фотосинтезирующих растений и развиваются только в случае контакта с ультрафиолетом. Внутри хлоропласта находится его жидкая строма. По своему составу она напоминает гиалоплазму и на 85% состоит из воды, в которой растворены электролиты и взвешены белки. Строма хлоропластов содержит тилакоиды, структуры, в которых непосредственно протекает световая и темновая фаза фотосинтеза.

Наследственный аппарат хлоропласта

Рядом с тилакоидами имеются гранулы с крахмалом, который является продуктом полимеризации глюкозы, полученной в результате фотосинтеза. Свободно в строме находятся и ДНК пластиды вместе с разрозненными рибосомами. Молекул ДНК может быть несколько. Они вместе с биосинтетическим аппаратом отвечают за восстановление структуры хлоропластов. Это происходит без использования наследственной информации ядра клетки. Данное явление позволяет судить и о возможности самостоятельного роста и размножения хлоропластов в случае деления клетки. Потому хлоропласты в некотором плане не зависят от ядра клетки и представляют как бы симбионтный низкоразвитый организм.

Строение тилакоидов

Тилакоиды — это мембранные структуры в виде дисков, расположенные в строме хлоропластов. У цианобактерий они и вовсе расположены на впячиваниях цитоплазматической мембраны, так как у них не имеется самостоятельных хлоропластов. Существует два вида тилакоидов: первый — это тилакоид с люменом, а второй — ламеллярный. Тилакоид с люменом меньше по диаметру и представляет собой диск. Несколько тилакоидов, составленных по вертикали, образуют грану.

Ламеллярные тилакоиды — это широкие пластинки, которые не имеют люмена. Но они являются площадкой, к которой крепятся множественные граны. В них фотосинтез практически не протекает, так как они нужны для образования прочной структуры, стойкой к механическим повреждениям клетки. Всего в хлоропластах может находиться от 10 до 100 тилакоидов с люменом, способных к фотосинтезу. Сами тилакоиды — это элементарные структуры, ответственные за фотосинтез.

Роль тилакоидов в фотосинтезе

В тилакоидах протекают важнейшие реакции фотосинтеза. Первая — это фотолизное расщепление молекулы воды и синтез кислорода. Вторая — транзит протона через мембрану посредством цитохромного молекулярного комплекса b6f и электротранспортной цепи. Также в тилакоидах протекает синтез макроэргической молекулы АТФ. Этот процесс происходит с использование протонного градиента, сложившегося между мембраной тилакоида и стромой хлоропласта. Это означает, что функции тилакоидов позволяют реализовать всю световую фазу фотосинтеза.

Световая фаза фотосинтеза

Необходимым условием существования фотосинтеза является возможность создания мембранного потенциала. Он достигается за счет переноса электронов и протонов, благодаря чему создается Н+ градиент, который в 1000 раз больше, чем в мембранах митохондрий. Электроны и протоны для создания электрохимического потенциала в клетке выгоднее взять из молекул воды. Под действием ультрафиолетового фотона на мембранах тилакоидов это становится доступным. Происходит выбивание электрона из одной молекулы воды, которая приобретает положительный заряд, а потому для ее нейтрализации требуется сбросить один протон. В результате 4 молекулы воды распадается на электроны, протоны и образует кислород.

Цепь процессов фотосинтеза

После фотолиза воды происходит перезарядка мембраны. Тилакоиды — это структуры, которые в ходе переноса протонов могут иметь кислую рН. В это время в строме хлоропласта рН слабощелочная. Это генерирует электрохимический потенциал, благодаря которому становится возможен синтез АТФ. Молекулы аденозинтрифосфата позже будут использованы для энергетических нужд и темновой фазы фотосинтеза. В частности, АТФ используется клеткой для утилизации углекислого газа, что достигается путем его конденсации и синтеза на их основе молекулы глюкозы.

Попутно в темновую фазу восстанавливается НАДФ-Н+ до НАДФ. Всего для синтеза одной молекулы глюкозы требуется 18 молекул АТФ, 6 молекул углекислого газа и 24 протона водорода. Это требует фотолиза 24 молекул воды на утилизацию 6 молекул углекислого газа. Данный процесс позволяет освободить 6 молекул кислорода, который позже будет использоваться другими организмами для своих энергетических нужд. При этом тилакоиды — это (в биологии) пример мембранной структуры, которая позволяет использовать солнечную энергию и трансмембранный потенциал с градиентом рН для преобразования их в энергию химических связей.

Источник

Тилакоид

Тилакоиды — ограниченные мембраной компартменты внутри хлоропластов и цианобактерий. В тилакоидах происходят светозависимые реакции фотосинтеза. Слово «тилакоид» происходит от греческого слова thylakos, означающего «мешочек». Тилакоиды состоят из мембраны, окружающей просвет тилакоида. Тилакоиды хлоропластов часто имеют структуру, напоминающую стопку дисков. Эти стопки называют гранами (от латинского «Granum» стопка монет). Граны соединены межграновыми или строматическими тилакоидами (ламеллами) в единое функциональное пространство.

Содержание

Строение тилакоида

Тилакоиды — это ограниченные мембраной структуры, расположенные в строме хлоропласта.

Мембрана

Просвет

Просвет тилакоида (люмен) — это компартмент, ограниченный тилакоидной мембраной. Он играет существенную роль в фотофосфорилировании в процессе фотосинтеза. Во время протекания светозависимых реакций протоны накачиваются через мембрану тилакоида в его люмен. pH просвета при этом может снижаться до 4.

Граны

Граны — это стопки из тилакоидов, имеющих форму дисков. Хлоропласты могут содержать от 10 до 100 гран. Граны соединены строматическими тилакоидами, которые иногда называют также межграновыми тилакоидами, или ламеллами. Грановые и межграновые тилакоиды различаются своим белковым составом.

Образование тилакоидов

Хлоропласты развиваются из пропластид, когда росток поднимается над поверхностью почвы. Для образование тилакоидов обязательно наличие света. В зародыше растения, равно как и в отсутствие света, пропластиды превращаются в этиопласты, обладающие полукристаллическими мембранами, которые называют проламеллярными телами. Под воздействием света эти проламеллярные тела превращаются в тилакоиды. Это, однако, не происходит у ростков, прорастающих в темноте; такие ростки подвергаются этиоляции. Недостаточная освещенность может привести к нарушению формирования тилакоидов. Это приводит к нефункциональности хлоропластов и в результате — к гибели растения.

Выделение и фракционирование тилакоидов

Белки тилакоидов

Интегральные мембранные белки

Тилакоидные мембраны содержат интегральные белки, играющие важную роль в захвате светового фотона и в светозависимых фотосинтетических реакциях. На мембране есть четыре основных белковых комплекса:

Фотосистема II в основном встречается у грановых тилакоидов, тогда как фотосистема I и АТФ-синтаза — у строматических тилакоидов, а также у внешних слоев гранов. Цитохромный комплекс b6f распределен равномерно по всей мембране.

Поскольку две фотосистемы пространственно разделены на тилакоидной мембране, для обмена электронами между ними необходимы подвижные переносчики. В роли таких переносчиков выступают пластохинон и пластоцианин. Пластохинон переносит электроны от фотосистемы II к цитохромному комплексу b6f, тогда как пластоцианин переносит их от цитохромного комплекса b6f к фотосистеме I.

Все вместе эти белки преобразуют энергию света для работы электронтранспортных цепей, которые создают электрохимический потенциал через тилакоидную мембрану, а также синтезируют фосфат никотинамид-аденинового динуклеотида (НАДФ) — продукт конечной окислительно-восстановительной реакции. АТФ-синтаза использует этот электрохимический потенциал для синтеза АТФ в процессе фотофосфорилирования.

Фотосистемы

Фотосистемы тилакоида — центры осуществления окислительно-восстановительных светозависимых реакций. Каждая фотосистема содержит антенный комплекс, который улавливает свет различных длин волн с использованием хлорофилла и вспомогательных фотосинтетических пигментов, таких как каротиноиды и фикобилипротеины. На антенном комплексе имеется от 250 до 400 молекул пигмента. Поглощаемая ими энергия за счет резонансного переноса передается специализированному хлорофиллу a, расположенному в реакционном центре каждой фотосистемы. Когда любая из двух молекул хлорофилла a в реакционном центре получает энергию, электрон передается молекуле-акцептору.

Реакционный центр Фотосистемы I наиболее эффективно поглощает свет на длине волны 700 нм. Он содержит две молекулы хлорофилла a, обозначаемые P700. Фотосистема II содержит хлорофилл P680, максимум поглощения которого приходится на 680 нм (следует отметить, что обе эти длины волны лежат глубоко в красной области спектра, см. статью про видимый свет). В обозначениях хлорофиллов P — сокращение от «пигмент», а число показывает длину волны в нанометрах, на которой достигается максимум поглощения света.

Цитохромный комплекс b6f

Цитохромный комплекс b6f входит в электронтранспортную цепь тилакоида и соединяет передачу электронов с прокачкой протонов в просвет тилакоида. В цепочке переносчиков он расположен между двумя фотосистемами и передает электроны от пластохинона фотосистемы II к пластоцианину фотосистемы II.

АТФ-синтаза

Тилакоидная АТФ-синтаза — это АТФ-синтаза CF₁F_O, похожая на митохондриальную АТФ-синтазу. Она интегрирована в мембрану тилакоида, причем ее компонент CF₁ выступает в строму хлоропласта. Таким образом АТФ синтезируется на стромальной стороне тилакоида, где он необходим для светонезависимых реакций фотосинтеза.

Белки люмена

В люмене тилакоида содержится белок пластоцианин, осуществляющий транспорт электронов от цитохромного белкового комплекса b6f к фотосистеме I. В отличие от липидорастворимого пластохинона, который может перемещаться по мембране тилакоида, пластоцианин гидрофилен и перемещается в веществе люмена.

В люмене тилакоидов также происходит расщепление воды. Эту операцию выполняет водорасщепляющий комплекс, связанный с участком фотосистемы II, выступающим в люмен.

Экспрессия тилакоидных белков

Хлоропласты обладают собственным геномом, в котором хранятся гены некоторых тилакоидных белков. Однако в процессе эволюции пластид из их предшественников — эндосимбиотических цианобактерий — произошел перенос большого количества генов из хлоропластного генома в ядро клетки. В результате этого четыре основных тилакоидных белковых комплекса частично кодируются в геноме хлоропласта, а частично — ядерным геномом.

Растения выработали несколько механизмов совместной регуляции экспрессии белков, входящих в эти комплексы, гены которых хранятся в разных органеллах, чтобы достичь необходимой стехиометрии и необходимого качества сборки белковых комплексов. Например транскрипция ядерных генов, кодирующих части фотосинтетического аппарата, зависит от освещенности.

Транспорт белков в тилакоидах

Белки тилакоидов направляются к местам их расположения при помощи сигнальных пептидов и механизмов секреции, похожих на прокариотические. Большинство белков тилакоидов, кодируемых ядерным геномом растения для нахождения места своего назначения нуждаются в двух сигналах: N-концевом хлоропластном маркере (показан на рисунке желтым), и тилакоидном маркере (показан синим). Белки вводятся в хлоропласт через транслоконные комплексы на внутренней и внешней мембранах (на рисунке — Tic и Toc).

После попадания внутрь хлоропласта первый маркер отщепляется протеазой, которая обрабатывает входящие белки. Это открывает доступ ко второму сигналу, и белок из стромы хлоропласта переносится в тилакоид в рамках второго этапа транспортировки. Этот второй этап требует работы компонентов тилакоида, ответственных за перенос белков, и происходит с затратами энергии.

Белки интегрируются в мембрану через механизм распознавания сигнальных участков (1), через механизм диаргининовой транслокации (ДАТ) (2) либо самопроизвольно за счет наличия в них трансмембранных доменов (на рисунке не показано). Белки вещества просвета переносятся в просвет через мембрану тилакоида через механизм ДАТ (2) либо через секреторный механизм (3), и высвобождаются за счет отщепления тилакоидного маркера.

Разные механизмы переноса белков используют разные сигнальные пептиды и источники энергии. Секреторный механизм в качестве источника энергии использует АТФ и реализуется маркером SecA, связывающимся с переносимым белком, и секреторным мембранным комплексом Sec, непосредственно осуществляющем перенос.

Белки с двумя аргининами в их тилакоидном сигнальном маркере переносятся с помощью ДАТ, который реализуется мембранным комплексом Tat (от англ. twin arginine translocation), использующим градиент pH в качестве источника энергии.

Некоторые другие белки интегрируются в мембрану при помощи механизма распознавания сигнальных пептидов. Хлоропластные белки-рецепторы могут распознавать целевые белки как после их трансляции, так и во время ее, и таким образом они могут переносить как внешние белки, так и белки, транслируемые внутри хлоропласта. Этот механизм в качестве источников энергии использует ГТФ и градиент pH.

Функции тилакоидов

В тилакоидах осуществляются следу светозависимые реакции фотосинтеза:

Фотолиз воды

Первый этап фотосинтеза — это расщепление воды под воздействием света. Эта реакция поставляет электроны для фотосинтетических электронтранспортных цепей, а также протоны для создания протонного градиента. Реакция расщепления воды происходит на стороне тилакоидной мембраны, обращённой к люмену, и происходит с затратами энергии, полученной фотосистемами от солнечного света. Интересно отметить, что это окисление (расщепление) воды происходит с выделением O₂ как побочного продукта, который сбрасывается в атмосферу и затем может быть использован другими организмами для дыхания.

Электронтранспортная цепь

В процессе фотосинтеза использованы две разновидности транспорта электроннов:

Нециклическая разновидность транспорта задействует обе фотосистемы, тогда как циклическая происходит только с использованием фотосистемы I.

Электрохимический потенциал

Основанной функцией тилакоидной мембраны и ее интегральных фотосистем является создание электрохимического потенциала. Переносчики электронов, участвующие в электронном транспорте, используют некоторую часть энергии электронов для перекачки протонов из стромы в просвет тилакоида. Во время фотосинтеза вещество люмена приобретает кислую реакцию вплоть до pH 4 (тогда как строма имеет pH 8). Это соответствует 10 000-кратному градиенту концентрации протонов поперек тилакоидной мембраны.

Источник протонного градиента

Протоны в просвет поступают из трех источников:

Протонный градиент также поддерживается потреблением протонов в строме при восстановлении NADP + до NADPH, осуществляемом NADP-редуктазой.

Синтез АТФ

Молекулярный механизм синтеза АТФ в хлоропластах похож на аналогичный механизм в митохондриях. Он получает необходимую энергию от протон-движущей силы (ПДС). Однако хлоропласты используют большей частью на электрохимический потенциал ПДС. ПДС слагается из химического потенциала протонов (обусловленного градиентом их концентрации) и трансмембранного электрического потенциала (обусловленного распределением зарядов по разные стороны мембраны).

По сравнению с внутренними мембранами митохондрий, которые обладают существенно более высоким мембранным потенциалом, обусловленным разделением зарядов, градиент заряда на тилакоидных мембранах невелик. В то же время это компенсируется 10000-кратным градиентом концентрации протонов, который гораздо выше, нежели 10-кратный у митохондрий. Общий электрохимический потенциал между просветом тилакоида и стромой достаточно велик, чтобы подпитывать работу АТФ-синтазы. Когда протоны выходят обратно в строму в область сниженной концентрации через канал в АТФ-синтазе, происходит реакция синтеза АТФ. Именно через протонный градиент светозависимые реакции соединены с синтезом АТФ.

Мембраны тилакоидов цианобактерий

Цианобактерии — фотосинтетические прокариоты, обладающие высокодифференцированными мембранными системами. У этих бактерий имеется внутренняя система тилакоидных мембран, на которых расположены все компоненты действующих электронтранспортных цепей фотосинтеза и дыхания. Для цианобактерий характрено наличие на внешней стороне мембран тилакоидов сложных белковых комплексов — фикобилисом, которые состоят в основном из белков-фикобилинов фикоцианина и фикоэритрина [1]. Из эукариот фикобилисомы есть у красных водорослей и глаукофитовых. Фикобилины поглощают световую энергию и передают её к хлорофиллу а фотосистемы II.

Источник

Cell Biology.ru

Справочник

Геном пластид

Подобно митохондриям, хлоропласты имеют собственную генетическую систему, обеспечивающую синтез ряда белков внутри самих пластид. В матриксе хлоропластов обнаруживаются ДНК, разные РНК и рибосомы. Оказалось, что ДНК хлоропластов резко отличается от ДНК ядра. Она представлена циклическими молекулами длиной до 40-60 мкм, имеющими молекулярный вес 0,8-1,3х108 дальтон. В одном хлоропласте может быть множество копий ДНК. Так, в индивидуальном хлоропласте кукурузы присутствует 20-40 копий молекул ДНК. Длительность цикла и скорость репликации ядерной и хлоропластной ДНК, как было показано на клетках зеленых водорослей, не совпадают. ДНК хлоропластов не состоит в комплексе с гистонами. Все эти характеристики ДНК хлоропластов лизки к характеристикам ДНК прокариотических клеток. Более того, сходство ДНК хлоропластов и бактерий подкрепляется еще и тем, что основные регуляторные последовательности транскрипции (промоторы, терминаторы) у них одинаковы. На ДНК хлоропластов синтезируются все виды РНК (информационная, трансферная, рибосомная). ДНК хлоропластов кодирует рРНК, входящую в состав рибосом этих пластид, которые относятся к прокариотическому 70S типу (содержат 16S и 23S рРНК). Рибосомы хлоропластов чувствительны к антибиотику хлорамфениколу, подавляющему синтез белка у прокариотических клеток.
рис.
Образование шпилек в ДНК некоторых хлоропластов.

Так же как в случае хлоропластов мы вновь сталкиваемся с
существованием особой системы синтеза белка, отличной от
таковой в клетке.

Эти открытия вновь пробудили интерес к теории симбиотического
происхождения хлоропластов. Идея о том, что хлоропласты
возникли за счет объединения клеток-гетеротрофов с прокариотическими
синезелеными водорослями, высказанная на рубеже XIX и XX
вв. (А.С. Фоминцин, К.С.Мережковский) вновь находит свое
подтверждение. В пользу этой теории говорит удивительное
сходство в строении хлоропластов и синезеленых водорослей,
сходство с основными их функциональными особенностями, и
в первую очередь со способностью к фотосинтетическим процессам.

рис. Состав генома пластид у арабидопсиса.

Известны многочисленные факты истинного эндосимбиоза синезеленых
водорослей с клетками низших растений и простейших, где
они функционируют и снабжают клетку-хозяина продуктами фотосинтеза.
Оказалось, что выделенные хлоропласты могут также отбираться
некоторыми клетками и использоваться ими как эндосимбионты.
У многих беспозвоночных (коловратки, моллюски), питающихся
высшими водорослями, которые они переваривают, интактные
хлоропласты оказываются внутри клеток пищеварительных желез.
Так, у некоторых растительноядных моллюсков в клетках найдены
интактные хлоропласты с функционирующими фотосинтетическими
системами, за активностью которых следили по включению С14О2.

Как оказалось, хлоропласты могут быть введены в цитоплазму
клеток культуры фибробластов мыши путем пиноцитоза. Однако
они не подвергались атаке гидролаз. Такие клетки, включившие
зеленые хлоропласты, могли делиться в течение пяти генераций,
а хлоропласты при этом оставались интактными и проводили
фотосинтетические реакции. Были предприняты попытки культивировать
хлоропласты в искусственных средах: хлоропласты могли фотосинтезировать,
в них шел синтез РНК, они оставались интактными 100 ч, у
них даже в течение 24 ч наблюдались деления. Но затем происходило
падение активности хлоропластов, и они погибали.

Эти наблюдения и целый ряд биохимических работ показали,
что те черты автономии, которыми обладают хлоропласты, еще
недостаточны для длительного поддержания их функций и тем
более для их воспроизведения.

В последнее время удалось полностью расшифровать всю последовательность
нуклеотидов в составе циклической молекулы ДНК хлоропластов
высших растений. Эта ДНК может кодировать до 120 генов,
среди них: гены 4 рибосомных РНК, 20 рибосомных белков хлоропластов,
гены некоторых субъединиц РНК-полимеразы хлоропластов, несколько
белков I и II фотосистем, 9 из 12 субъединиц АТФ-синтетазы,
части белков комплексов цепи переноса электронов, одной
из субъединиц рибулозодифосфат-карбоксилазы (ключевой фермент
связывания СО2), 30 молекул тРНК и еще 40 пока неизвестных
белков. Интересно, что сходный набор генов в ДНК хлоропластов
обнаружен у таких далеко отстоящих представителей высших
растений как табак и печеночный мох.

Основная же масса белков хлоропластов контролируется ядерным
геномом. Оказалось, что ряд важнейших белков, ферментов,
а соответственно и метаболические процессы хлоропластов
находятся под генетическим контролем ядра. Так, клеточное
ядро контролирует отдельные этапы синтеза хлорофилла, каротиноидов,
липидов, крахмала. Под ядерным контролем находятся многие
энзимы темновой стадии фотосинтеза и другие ферменты, в
том числе некоторые компоненты цепи транспорта электронов.
Ядерные гены кодируют ДНК-полимеразу и аминоацил-тРНК-синтетазу
хлоропластов. Под контролем ядерных генов находится большая
часть рибосомных белков. Все эти данные заставляют говорить
о хлоропластах, так же как и о митохондриях, как о структурах
с ограниченной автономией.

Транспорт белков из цитоплазмы в пластиды происходит в принципе
сходно с таковым у митохондрий. Здесь также в местах сближения
внешней и внутренней мембран хлоропласта располагаются каналообразующие
интегральные белки, которые узнают сигнальные последовательности
хлоропластных белков, синтезированных в цитоплазме, и транспортируют
их в матрикс-строму. Из стромы импортируемые белки согласно
дополнительным сигнальным последовательностям могут включаться
в мембраны пластиды (тилакоиды, ламеллы стромы, внешняя
и внутренняя мембраны) или локализоваться в строме, входя
в состав рибосом, ферментных комплексов цикла Кальвина и
др.

Удивительное сходство структуры и энергетических процессов
у бактерий и митохондрий, с одной стороны, и у синезеленых
водорослей и хлоропластов – с другой, служит веским аргументом
в пользу теории симбиотического происхождения этих органелл.
Согласно этой теории, возникновение эукариотической клетки
прошло через несколько этапов симбиоза с другими клетками.
На первой стадии клетки типа анаэробных гетеротрофных бактерий
включили в себя аэробные бактерии, превратившиеся в митохондрии.
Параллельно этому в клетке-хозяине прокариотический генофор
формируется в обособленное от цитоплазмы ядро. Так могли
возникнуть гетеротрофные эукариотические клетки. Повторные
эндосимбиотические взаимоотношения между первичными эукариотическими
клетками и синезелеными водорослями привели к появлению
в них структур типа хлоропластов, позволяющих клеткам осуществлять
автосинтетические процессы и не зависеть от наличия органических
субстратов (рис. 236). В процессе становления такой составной
живой системы часть генетической информации митохондрий
и пластид могла изменяться, перенестись в ядро. Так, например
две трети из 60 рибосомных белков хлоропластов кодируется
в ядре и синтезируются в цитоплазме, а потом встраивается
в рибосомы хлоропластов, имеющие все свойства прокариотических
рибосом. Такое перемещение большой части прокариотических
генов в ядро привело к тому, что эти клеточные органеллы,
сохранив часть былой автономии, попали под контроль клеточного
ядра, определяющего в большей степени все главные клеточные
функции.

Источник