Thylakoïde

De chloroplast, een groen celorganel dat voorkomt in planten, algen en sommige micro-organismen, werd voor het eerst waargenomen door Hugo von Mohl in 1837. Hij omschreef de chloroplast als een eenvoudig, afzonderlijk structuurtje die kenmerkend was voor de plantaardige cel.^[2] Later in de negentiende eeuw borduurde de botanicus Andreas Schimper voort op de bevindingen van Von Mohl, en noemde de groene structuren in plantencellen "Chlorophyllkörner".^[3] Schimper beschouwde chloroplasten en andere plastiden als pigmentdragende celonderdelen, die zich kunnen ontwikkelen uit kleurloze precursors.^[4] Bij zijn waarnemingen had hij alleen de lichtmicroscoop ter beschikking, dus aanwijzingen voor thylakoïden bleven uit.

Kort na de uitvinding van de elektronenmicroscoop in 1931 werden de eerste beelden van de structuren binnen chloroplasten gepubliceerd. Elektronenmicroscopie werd daarna de voornaamste techniek om onderzoek te doen naar de verschillende plastiden, en hun complexe interne samenstelling. In de jaren vijftig was de structuur van thylakoïden in beginnende mate vastgesteld, en de functie ervan stond onder wetenschappers ter discussie.^[5][6]

In grote lijnen lijken thylakoïden in microscopische opnames op gestapelde, afgeplatte zakken die in het stroma, de grondvloeistof van de chloroplast, zijn ingebed. Er zijn globaal twee typen thylakoïden naar vorm te onderscheiden: de granumthylakoïden die in cilindrische stapels liggen, en de stromale thylakoïden die platter zijn en grana onderling verbinden. Ook bij cyanobacteriën komen thylakoïdesystemen voor. Deze liggen vrij in het cytosol.

De structuur van thylakoïden weerspiegelt hun functie van fotosynthese: een zeer groot membraanoppervlak om licht te vangen, en een dunne binnenruimte met een specifiek chemisch milieu, waarin energierijke moleculen worden gevormd. In de membranen van thylakoïden verlopen de processen die, via allerlei voedselketens, aan de basis liggen van alle ecosystemen: de synthese van organisch materiaal uit de anorganische verbindingen water en kooldioxide, onder gebruik van energie uit licht.

 

Granumstructuur. Het leidende model voor de structuur van grana is een stapel thylakoïden die verbonden zijn door spiraalvormige stromale thylakoïden. Zij wikkelen rond de thylakoïd-stapels en verbinden alle grana in de chloroplast.^[7]

Bij vrijwel alle vaatplanten zijn de thylakoïden gebundeld in stapels genaamd grana.^[8] In de chloroplasten van bepaalde mossen, varens, C4-planten en sommige algen zijn de thylakoïden meer amorf van structuur en liggen ze vrij in het stroma.^[9] Met de elektronenmicroscoop is de structuur van het thylakoïdsysteem van vaatplanten in detail vastgesteld. Het thylakoïdsysteem bestond uit gestapelde, schijfvormige thylakoïden die onderling verbonden werden door lange lamellen genaamd stromale thylakoïden.^[10] Een granum kan men beschouwen als een cilinder met een diameter van ongeveer 300–600 nanometer. De verbindende stromale thylakoïden zijn enkele millimeters lang en net zichtbaar met lichtmicroscopen. Onder de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) zijn de thylakoïdemembranen te zien als lichte en donkere strepen, ongeveer 8,5 nm dik.^[10]

De driedimensionale structuur van het granumsysteem is al lange tijd onderwerp van onderzoek.^[11] Onderzoek naar thylakoïden door middel van elektronentomografie leverden twee verschillende modellen. In het ene model werd het granum voorgesteld als een stapel thylakoïden die omgeven werd door een plat, spiraalvormig stromaal thylakoïde, zoals hierboven afgebeeld. Volgens het andere model werden thylakoïden verbonden door lineaire stromale thylakoïden, loodrecht op de granum-as. Hoewel grana over het algemeen nog steeds worden afgebeeld volgens het lineaire thylakoïdemodel,^[12] werd in 2011 vastgesteld dat het spiraalvormige thylakoïdemodel correct is.^[7]

In het spiraalvormig thylakoïdemodel is een granum opgebouwd uit granumthylakoïden. Eén granum kan twee tot honderd thylakoïden bevatten,^[10] maar grana met tien thylakoïden komen het meest voor in chloroplasten.^[8] De stromale thylakoïden snijden de horizontale thylakoïden in het granum onder een hoek van 20–25°. Door uit te groeien in de breedte kunnen de stromale thylakoïden andere grana met elkaar verbinden als een brugsysteem.^[7] Hoewel de verschillende delen van het thylakoïdesysteem verschillende membraaneiwitten bevatten,^[a] zijn de thylakoïdmembranen volledig doorlopend en is de binnenruimte die ze omsluiten een aaneengeschakeld labyrint.^[8]

De interne structuur van chloroplasten is voortdurend onderhevig aan verandering, afhankelijk van de hoeveelheid licht die de chloroplast binnenkomt.^[14] De totale oppervlakte van het thylakoïdemembraan kan onder invloed van invallend licht variëren. Chloroplasten in de schaduw bevatten grotere grana en een groter thylakoïdemembraan-oppervlak dan chloroplasten die blootstaan aan fel licht. De veranderingen kunnen binnen enkele minuten optreden.^[15]

Thylakoïden veranderen van structuur om fotosynthese zo stabiel en efficiënt mogelijk te laten verlopen. De dynamiek komt voornamelijk tot stand door een reorganisatie van eiwitcomplexen in de membranen. De mechanismen die hieraan ten grondslag liggen zijn nog maar gedeeltelijk begrepen. In onderzoeken wordt het vermogen van thylakoïden om zich in meerdere structuren te organiseren toegeschreven aan het zogenaamde lichtopvangsysteem II (LHCII), het grootste eiwitcomponent in grana dat een essentiële rol speelt in de lichtreactie. Structuurveranderingen vinden plaats door regulatie van interacties tussen LHCII en de thylakoïdemembranen.^[16]

 

Het thylakoïdemembraan kan beschouwd worden als het belangrijkste onderdeel van de chloroplast, omdat in deze membranen moleculen en eiwitten zijn ingebed die reacties laten verlopen die essentieel zijn voor de fotosynthese. Eiwitten beslaan de overgrote meerderheid van het membraanoppervlak: lokaal wel tot 80%.^[17]

Het thylakoïdemembraan heeft een unieke samenstelling: het is opgebouwd uit een dubbele laag lipiden, zeer vergelijkbaar met de dubbele laag fosfolipiden in celmembranen. De membranen van thylakoïden komen sterk overeen met de membranen van prokaryoten en met het binnenste chloroplastmembraan. Deze membranen kenmerken zich door de aanwezigheid van negatief geladen (zure) lipiden.^[18] Een groeiend aantal studies wijst uit dat bijzondere lipidensamenstelling van thylakoïdemembranen essentieel zijn voor het juist functioneren van de fotosyntheseprocessen.^[19]

Bij planten en cyanobacteriën bestaan de thylakoïdemembranen uit vier verschillende lipideverbindingen, die buiten chloroplasten in de natuur vrijwel niet voorkomen:^[17][20] de galactolipiden MGDG (monogalacotosyldiglyceride) en DGDG (digalactosyldiacylglycerol), de sulfolipide SQDG (sulfoquinovosyldiacylglycerol) en de fosfolipide PG (fosfatidylglycerol). De galactolipiden maken het grootste deel uit van het membraan, namelijk ongeveer 70%.^[17] Elke lipideverbinding heeft een eigen fysiochemische rol. De sulfolipiden en fosfolipiden zorgen ervoor dat er een lipide dubbellaag wordt gevormd waarin eiwitten kunnen worden verankerd.^[21] De galactolipiden maken het mogelijk dat de membranen zich op elkaar stapelen tot een granum.^[17] De onderlinge verhoudingen van de verschillende lipiden zijn redelijk constant, omdat het thylakoïdemembraan specifieke eigenschappen moet handhaven om goed te functioneren.

De synthese van nieuwe thylakoïdmembraanonderdelen gebeurt bij planten in een wisselwerking tussen de chloroplast en het endoplasmatisch reticulum (ER). Vrije vetzuren, met name linoleenzuur,^[22] zijn de voorloperstoffen van membraanlipiden en worden gevormd in de chloroplast zelf. Deze vetzuren worden van daaruit getransporteerd naar het ER waar ze worden samengesteld tot glyceriden: lipiden die het uiteindelijke thylakoïdmembraan vormen. De glyceriden keren terug naar de chloroplast waar ze voltooid worden, en via vesikels worden ze naar de thylakoïden gebracht waar ze zich organiseren tot membranen.^[23] Het is echter nog niet geheel zeker hoe dit transport van lipiden precies verloopt.^[17]

Omdat eiwitten een groot deel uitmaken van het thylakoïdmembraan wordt aangenomen dat ook zij een grote rol spelen in de biosynthese.^[16] De meeste van deze eiwitten worden gecodeerd door kern-DNA, en moeten dus de chloroplast in getransporteerd worden. De processen die dit transport sturen zijn veelvuldig onderzocht.^[24][25]

De binnenruimte van een thylakoïde, het zogenoemde lumen, bestaat uit een waterige, dikke, homogene vloeistof die volledig wordt omsloten door het ondoordringbare thylakoïdemembraan. Het speelt een belangrijke rol bij fotofosforylering tijdens fotosynthese. Tijdens de lichtreacties worden waterstofionen (protonen) over het thylakoïdmembraan in het lumen gepompt. Het lumen verandert daarbij in een zuur milieu met een pH van ongeveer 4, dat sterk verschilt van de hogere pH in het stroma. Het enzymcomplex ATP-synthase in het membraan maakt gebruik van dit protonengradiënt. Het laat de protonen weer terugstromen een fosforyleert daarbij ADP tot ATP.

In het verleden dacht men dat het lumen vrij was van eiwitten.^[26] Het bevat echter een veelheid aan enzymen en regulerende moleculen die een ondersteunende rol spelen bij de fotosyntheseprocessen. Daarnaast zijn de luminale eiwitten betrokken bij de flexibiliteit en het herstel van het thylakoïdemembraan.^[26] De omvang van het lumen is zeer veranderlijk. Wanneer er licht op de thylakoïden valt, neemt het lumen toe in volume.^[27] Men veronderstelt dat de eiwitten die nodig zijn voor fotosynthese op deze manier bij licht sneller naar het lumen diffunderen.^[28] Ook de pH van het lumen wordt door invallend licht gereguleerd om eiwitinteracties te sturen.

De ontwikkeling van thylakoïden loopt parallel aan de ontwikkeling van de chloroplast zelf: de transformatie van een proplastide tot een volwassen plastide. De vorming van een thylakoïde vereist licht. Wanneer een plant te weinig krijgt, kunnen de thylakoïden zich onvoldoende ontwikkelen. De chloroplasten functioneren dan niet en de plant zal sterven. Wanneer het embryo van een plant onvoldoende licht krijgt, veranderen de proplastiden in etioplasten die semikristallijne membraanstructuren bevatten. In een later stadium kunnen deze membraanstructuren zich nog ontwikkelen tot thylakoïden.

 

Thylakoïde-ontwikkeling. Een proplastide ontwikkelt zich tot een volgroeide chloroplast. Thylakoïdemembranen groeien aanvankelijk in de breedte, later ook in de hoogte zodat grana ontstaan. Plastoglobuli zichtbaar als zwarte stippen.

Proplastiden zijn kleine, ronde organellen die met de elektronenmicroscoop nauwelijks te onderscheiden zijn van mitochondriën. Ze bevatten een klein aantal interne membranen, vaak zichtbaar als zakvormige blaasjes of als instulpingen van het binnenmembraan.^[4] Bij onderzoek naar grassen is duidelijk vastgesteld dat de thylakoïden zich tijdens de ontwikkeling van een chloroplast in opeenvolgende fasen opbouwen. Eerst worden er langwerpige, aaneengesloten lamellen gevormd die de gehele lengte van de plastide kunnen overspannen. Vervolgens groeien de lamellen op bepaalde plekken laaggewijs in de hoogte uit. Afhankelijk van het type plantencel zal het thylakoïdesysteem doorgroeien totdat tientallen granumstructuren tot stand zijn gekomen.

Voor de vorming van thylakoïden is een specifieke eiwitfamilie van bijzonder belang: de vesicle-inducing protein in plastids 1 (VIPP1). Lage VIPP1-concentraties in de cellen van planten leiden tot een trage groei en een bleker uiterlijk met verminderd vermogen tot fotosynthese. VIPP1 lijkt essentieel te zijn voor de ontwikkeling van thylakoïdemembranen, maar niet voor de verankering van chlorofyl en eiwitcomplexen in de thylakoïdmembranen.^[29] VIPP1 is sterk geconserveerd onder organismen met thylakoïden, inclusief cyanobacteriën,^[30] groenwieren zoals Chlamydomonas,^[31] en hogere planten, zoals Arabidopsis thaliana.^[32]

 

Thylakoïden hebben een complexe moleculaire opbouw. De membranen bevatten een veelheid aan integrale en perifere membraaneiwitten,^[b] waarvan het grootste deel een directe functie verricht bij de fotosynthese en eiwitlokalisatie. Proteomica-onderzoeken hebben licht geworpen op de eiwitsamenstelling van thylakoïden. De hiervan verzamelde gegevens zijn in openbare databases vastgelegd.^[33]

Naast eiwitten bevatten thylakoïden ook honderden organische co-enzymen zoals chlorofyllen, carotenoïden, cytochromen en chinonen, evenals metalen en bepaalde ionen. Deze moeten in het membraan bij elkaar worden gebracht en correct worden samengesteld. Alle moleculen moeten worden gesynthetiseerd in hoeveelheden die bij benadering gelijk zijn aan hun uiteindelijke stoichiometrie. De componenten worden in een stapsgewijze volgorde samengesteld. Het opbouwproces moet dus volledig geordend zijn, zowel in tijd als in ruimte.^[17]

Het proteoom van thylakoïden bestaat uit minstens 335 verschillende eiwitten. Hiervan bevinden zich er 89 in het lumen, 116 zijn integrale membraaneiwitten, 62 zijn perifere eiwitten aan de stromazijde en 68 perifere eiwitten aan de luminale zijde. De aanwezigheid van sommige eiwitten die in zeer lage concentraties voorkomen in het lumen kan voorspeld worden met behulp van computermodellen.^[34]

De belangrijkste en meest complexe membraaneiwitten die in thylakoïden voorkomen zijn de fotosystemen. Een fotosysteem bevat een lichtopvangsysteem (antenne) met verschillende fotosynthetiserende pigmenten zoals chlorofyl, carotenoïden en fycobilisoomeiwitten om licht te vangen bij veel verschillende golflengtes. De energie uit licht wordt in fotosystemen gebruikt om een reeks redoxreacties te laten verlopen die uiteindelijk NADP aan H⁺ koppelen zodat NADPH wordt gevormd. Het ontstane NADPH heeft een sterk reducerend vermogen dat nodig is in de calvincyclus, waarin koolhydraten worden geproduceerd. Tijdens de redoxreacties worden H⁺-ionen (protonen) over het thylakoïdemembraan getransporteerd, zodat binnen de thylakoïde een lagere pH heerst dan erbuiten. Het eiwit ATP-synthase dat verderop in het thylakoïdmembraan is ingebed vormt energierijke ATP-moleculen onder invloed van het aangelegde protonengradiënt.

Er zijn twee fotosystemen in thylakoïden ontdekt: fotosysteem II en fotosysteem I. Fotosysteem II bevat een speciaal chlorofylmolecuul dat P680 wordt genoemd. Het absorbeert licht het best bij een golflengte van 680 nanometer (nm). De P is een afkorting voor ‘pigment’.

• Endosymbiose
• Elektrochemische gradiënt
• Fotosynthese