Химический состав и физические свойства тилакоидных мембран

Общий принцип организации тилакоидных мембран хлоропластов подобен структуре любой другой мембраны клетки: основу мембраны составляет билипидный слой, в который погружены в большей или меньшей степени отдель­ные белки и белковые комплексы. Вместе с тем существует определенная спе­цифика липидного и белкового состава, а также особое распределение компонен­тов в мембранной системе хлоропластов. Это позволяет мембранам осуществ­лять уникальные энергопреобразующие реакции фотосинтеза и регулировать их в соответствии с меняющимися внешними условиями.

Химический анализ внутренних мембран хлоропластов показывает, что они включают липиды, белки и углеводы. Соотношение липидов и белков по весу близко к отношению 1:1. С учетом того, что молекулярная масса липидов мень­ше молекулярной массы белков, считают, что в среднем на 1 молекулу белка приходится около 500 молекул липидов. Углеводы главным образом входят в состав липидов (галактолипидов).

Липидный состав мембран тилакоидов (рис. 3.4). Вмембранах хлоропластов найдены две группы липидов: циклические и нециклические.

Циклические липиды составляют около 65 % липидов мембран хлоропла­стов. К ним относятся хлорофиллы и каротиноиды — фотосинтетические пиг­менты хлоропластов, а также хиноны — пластохиноны и филлохиноны (вита­мин K₁). Эти соединения непосредственно участвуют в реакциях фотосинтеза. Кроме того, в мембранах хлоропластов в больших количествах присутствует α-токоферол, который повышает структурированность мембран и их устойчи­вость к свободнорадикальным процессам (их вероятность в хлоропластах на свету велика — см. ниже).

Нециклические липиды в мембранах хлоропластов представлены галактолипидами {нейтральными липидами), фосфолипидами и сулъфолипидами. Они формируют липидный матрикс и участвуют в структурной организации мембран. Особенностью мембран хлоропластов является высокое содержание в них галактолипидов, в отличие от других мембран клетки, где преобладают фосфолипиды. В мембранах тилакоидов хлоропластов галактолипиды составляют до 75 % всех липидов мембран. Галактолипиды содержат один или два остатка углевода, в соответствии с чем выделяют моногалактолипиды (моногалактозилдиацилглицеролы — МГДГ) и дигалактолипиды (дигалактозилдиацилглицеролы — ДГДГ).

Рис. 3.4. Структурные формулы липидов мембран хлоропластов

Галактолипиды не формируют истинный бислой, однако их присутствие важно для образования изгибов мембран и формирования тилакоидов. Кроме того, клиновидная форма молекул галактолипидов способствует встраиванию белков в липидный слой мембраны.

Фосфолипиды и сульфолипиды — анионные липиды, несущие отрицательный заряд при физиологических условиях рН. Основным представителем фосфоли-пидов в мембранах хлоропластов является фосфатидилглицерол (11 % от общего содержания в них липидов). В фосфатидилглицерол мембран хлоропластов вхо­дит специфичная для хлоропластов жирная кислота — транс -гексадеценовая (транс-С_{16: 1}). Ее присутствие необходимо для сборки светособирающих комп­лексов хлоропластов. Сулъфолипиды (сульфохиновозилдиацилглицеролы), содер­жащие серу полярные липиды, найдены только у растений. Они составляют около 10 % от общего содержания липидов мембран. Липиды этой группы опре­деляют поверхностный заряд мембран, а также влияют на функциональную активность белковых комплексов тилакоидных мембран.

Жирнокислотный состав липидов внутренних мембран хлоропластов также уникален. Он характеризуется высоким процентным содержанием ненасыщенных жирных кислот — линолевой (С_18:2) и линоленовой (С_18:3). Обогащенность липидов ненасыщенными жирными кислотами приводит к сдвигу температу­ры фазового перехода мембран тилакоидов в область более низких температур по сравнению с другими мембранами клетки. Кроме того, большое содержа­ние ненасыщенных жирных кислот определяет высокую текучесть внутренних мембран тилакоидов и способствует латеральной, ротационной и трансмемб­ранной диффузии компонентов мембран, наблюдаемой в ходе световых реак­ций фотосинтеза. Вместе с тем ненасыщенные жирные кислоты подвержены перекисному окислению, что в условиях образования активных форм кисло­рода в хлоропластах становится чрезвычайным фактором риска повреждения мембран.

Белковые компоненты тилакоидных мембран. В мембранах хлоропластов на­считывают более 60 различных белков. Большая их часть — интегральные белки мультипептидных комплексов, осуществляющие процессы поглощения и транс­формации энергии при фотосинтезе. Другая часть белков располагается на по­верхности тилакоидных мембран либо со стороны стромы, либо со стороны люмена. Поверхностные белки входят в периферические домены мультипеп­тидных комплексов. Ряд поверхностных белков являются самостоятельными компонентами мембран.

Пять основных полипептидных комплексов встроены во внутренние мембраны хлоропластов (рис. 3.5): комплекс фотосистемы 1(ФС1), комплекс фотосистемы II (ФСII), светособирающий комплекс II(ССКII), цитохромный Ь₆ f-комплекс и АТФ-синтаза (CF₀— CF₁-комплекс). Комплексы ФС1, ФCII и ССКII содержат пигменты (хлорофиллы, каротиноиды), большинство которых функциониру­ют как пигменты-антенны, собирающие энергию для пигментов реакционных центров ФС1 и ФСП. Комплексы ФС1 и ФСII, а также цитохромный b₆ f- комплекс имеют в своем составе редокс-кофакторы и участвуют в фотосинтети­ческом транспорте электронов. Белки этих комплексов отличаются высоким содержанием гидрофобных аминокислот, что обеспечивает их встраивание в мембрану. АТФ-синтаза (CF₀ —CF₁-комплекс) осуществляет синтез АТФ.

Кроме крупных полипептидных комплексов в мембранах тилакоидов име­ются небольшие белковые компоненты — пластоцианин, ферредоксин и ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктаза, расположенные на поверхности мембран. Они входят в электрон-транспортную систему фотосинтеза.

Вода и неорганические ионы. Вода играет структурную роль, участвуя в фор­мировании функционально активной конформации белковых компонентов мембран, стабилизирует мембраны, непосредственно участвует в процессах фотосинтеза. Неорганические ионы (в первую очередь одно- и двухвалентные катионы — К⁺, Na⁺, Ca ⁺, Mg ⁺) определяют общий поверхностный заряд мемб-^; ран и возможность взаимодействия отдельных мембран друг с другом. Они кон­тролируют образование гран в хлоропласте. Ионы важны также для сборки комплексов белков в мембране и создания определенной функционально ак­тивной конформации.

Ультраструктура внутренних мембран хлоропластов. Расположение отдель­ных белковых комплексов в мембране и их ориентировочные размеры, уста­новленные с использованием техники замораживания, скалывания и травле­ния мембран и электронной микроскопии, представлены на рис. 3.5.

Отдельные компоненты мембран занимают положение, строго детермини­рованное их физико-химическими свойствами. Гидрофобные аминокислоты в белках комплексов позволяют им встраиваться в билипидный слой мембран. Гидрофильные участки этих белков, напротив, выталкиваются из гидрофоб­ного слоя мембран и занимают поверхностное положение. В результате гидро­фобных, гидрофильных, а также электростатических взаимодействий на по­верхности мембран пептиды определенным образом ориентированы относи­тельно друг друга в комплексах и относительно поверхности мембраны. Элект­ростатические взаимодействия между отдельными пептидами направляют и регулируют сборку полипептидных комплексов мембран хлоропластов. С элек­тростатическими и отчасти ковалентными взаимодействиями белков и кофак­торов (пигментов, редокс-агентов) связано формирование активных функцио­нальных центров в этих комплексах.

Рис. 3.5. Схема организации основных функциональных комплексов в мембране тилакоидов (по Staehelin, van der Staay, 1996, с изменениями):

ФС1 — фотосистема I; ФСII — фотосистема II; CCKI — светособирающий комплекс I; CCKII — светособирающий комплекс II (мобильная антенна); CF₀ — сопрягающий фактор 0; CF₁ —

сопрягающий фактор 1

Асимметрия мембран. Различают трансмембранную и латеральную асиммет­рию (гетерогенность) внутренних мембран хлоропластов.

Трансмембранная асимметрия выражается в неоднородности химического состава и структуры внешнего и внутреннего слоя (лепестка) билипидной мембраны. Мультипептидные комплексы определенным образом ориенти­рованы в мембране, причем существует достаточно высокая консерватив­ность в расположении отдельных субъединиц и связанных с ними кофакто­ров относительно наружной и внутренней поверхностей мембраны. Первич­ные и вторичные доноры электронов в ФС1 и ФСII всегда расположены в доменах, приближенных к люменальной части комплексов, а акцепторы элек­тронов — в доменах, обращенных к строме. Поверхностные белки мембран также всегда располагаются на определенной стороне мембраны (пластоцианин — со стороны люмена, ферредоксин и ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктаза — с наружной, стромальной, стороны). Неравномерно также распре­деление липидных компонентов в мембране: с внешним липидным слоем (лепестком) бислоя ассоциированы около 60 % всех галактолипидов и около 70 % фосфатидилглицерола, тогда как сульфохиновозилглицерол сосредото­чен главным образом во внутреннем слое мембраны. Трансмембранная асим­метрия внутренних мембран хлоропластов чрезвычайно важна для осуществ­ления первичных реакций фотосинтеза, связанных с первичным разделени­ем зарядов на мембране, а также для последующих процессов транспорта электронов и протонов, сопряженных с реакциями трансформации энергии при фотосинтезе.

Латеральная асимметрия (гетерогенность) состоит в том, что мембраны тилакоидов гран и стромы существенно различаются по химическому составу, структуре и функциям. Гранальные мембраны также различаются в зависимо­сти от расположения в гране: мембраны торцевых (концевых) областей, боковых (маргинальных) областей и внутриграналъные мембраны, тесно контактирую­щие друг с другом (спаренные) (см. рис. 3.3, Б).

Фотосистема I находится в стромальных тилакоидах (32 %), а также в мар­гинальных (36 %) и торцевых (32 %) областях гран. Фотосистема II в основном локализована в гранах, в области тесного контакта — «стэкинга» (85 %). Цитохромный комплекс распределен между стромальными и гранальными тила-коидами относительно равномерно. АТФ-синтазный комплекс располагается главным образом в мембранах стромальных тилакоидов, а также в маргиналь­ных и торцевых мембранах гран. Такое неоднородное распределение комплек­сов во внутренней мембране создает структурную основу для функциональной гетерогенности разных областей внутренней мембранной структуры и обеспе­чивает возможность регуляции фотосинтетических процессов на уровне мемб­раны. В зависимости от условий освещения распределение компонентов мембран может меняться.

Дата добавления: 2015-07-11