Tilacoides

Tilakoids (verde oscuro) dentro de un cloroplasto

Los tilacoides son compartimentos delimitados por membranas dentro de los cloroplastos y las cianobacterias. Son el sitio de las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis. Los tilacoides consisten en una membrana de tilacoides que rodea una luz de tilacoides. Los tilacoides de cloroplasto frecuentemente forman pilas de discos denominados grana (singular: granum). Los grana están conectados por tilacoides intergranales o estromales, que unen las pilas de granum como un único compartimento funcional.

En las membranas de los tilacoides, los pigmentos de clorofila se encuentran en paquetes llamados quantasomas. Cada cuantosoma contiene de 230 a 250 moléculas de clorofila.

Etimología

La palabra Thylakoid proviene de la palabra griega thylakos o θύλακος, que significa "sac" o "bolsa". Por lo tanto, tilacoide significa "en forma de saco" o "como una bolsa".

Estructura

Estructuras tilakoideas

Microscopio electrónico de transmisión digital (STEM) imagen de las membranas tilakoideas Rebanada tomográfica STEM de 10 nm de un cloroplast de lechuga. Las pilas de Grana están interconectadas por tilakoides estromales sin apilar, llamados lamellas de estroma. Scalebar = 200 nm.

Estructura de montaje Granum-stroma El modelo predominante de la asamblea granum-stroma es pilas de tilakoides granales envueltos por tilakoides estromales helicoidales de mano derecha que están conectados a grandes hojas paralelas de tilakoides estromales y helices adyacentes de mano derecha por estructuras helicales de mano izquierda. (Basado en).

Los tilacoides son estructuras unidas a la membrana incrustadas en el estroma del cloroplasto. Una pila de tilacoides se llama granum y se parece a una pila de monedas.

Membrana

La membrana tilacoide es el sitio de las reacciones de la fotosíntesis dependientes de la luz con los pigmentos fotosintéticos incrustados directamente en la membrana. Es un patrón alternado de bandas oscuras y claras que miden cada 1 nanómetro. La bicapa lipídica de los tilacoides comparte rasgos característicos con las membranas procarióticas y la membrana interna del cloroplasto. Por ejemplo, los lípidos ácidos se pueden encontrar en las membranas de los tilacoides, las cianobacterias y otras bacterias fotosintéticas y están involucrados en la integridad funcional de los fotosistemas. Las membranas de los tilacoides de las plantas superiores están compuestas principalmente de fosfolípidos y galactolípidos que están dispuestos asimétricamente a lo largo ya través de las membranas. Las membranas tilacoides son más ricas en galactolípidos que en fosfolípidos; también consisten predominantemente en fase II hexagonal que forma monogalacotosil diglicérido lípido. A pesar de esta composición única, se ha demostrado que las membranas tilacoides de las plantas asumen en gran medida una organización dinámica de bicapa lipídica. Los lípidos que forman las membranas de los tilacoides, más ricos en ácido linolénico de alta fluidez, se sintetizan en una vía compleja que implica el intercambio de precursores de lípidos entre el retículo endoplásmico y la membrana interna de la envoltura plástida y se transportan desde la membrana interna a los tilacoides a través de vesículas.

Lúmenes

La luz de los tilacoides es una fase acuosa continua encerrada por la membrana de los tilacoides. Desempeña un papel importante en la fotofosforilación durante la fotosíntesis. Durante la reacción dependiente de la luz, los protones se bombean a través de la membrana del tilacoides hacia el lumen, haciéndolo ácido hasta un pH de 4.

Laminillas de granum y estroma

En las plantas superiores, los tilacoides se organizan en un conjunto de membrana granular-estroma. Un granum (plural grana) es una pila de discos tilacoides. Los cloroplastos pueden tener de 10 a 100 grana. Los grana están conectados por tilacoides del estroma, también llamados tilacoides intergranales o laminillas. Los tilacoides grana y los tilacoides del estroma se pueden distinguir por su diferente composición proteica. Grana contribuye a los cloroplastos' gran relación superficie/volumen. Un estudio reciente de tomografía electrónica de las membranas de los tilacoides ha demostrado que las laminillas del estroma están organizadas en láminas anchas perpendiculares al eje de la pila grana y forman múltiples superficies helicoidales dextrógiras en la interfaz granal. Las superficies helicoidales dextrógiras se consolidan entre las hélices dextrógiras y las láminas. Se demostró que esta red compleja de superficies de membranas helicoidales alternas de diferentes radios y pasos minimiza las energías superficiales y de flexión de las membranas. Este nuevo modelo, el más extenso generado hasta la fecha, reveló que en la estructura coexisten características de dos modelos más antiguos, aparentemente contradictorios. En particular, arreglos similares de elementos helicoidales de mano alterna, a menudo denominados "garaje de estacionamiento" estructuras, se propusieron estar presentes en el retículo endoplásmico y en la materia nuclear ultradensa. Esta organización estructural puede constituir una geometría fundamental para la conexión entre capas o láminas densamente empaquetadas.

Formación

Los cloroplastos se desarrollan a partir de los proplastidos cuando las plántulas emergen del suelo. La formación de tilacoides requiere luz. En el embrión de la planta y en ausencia de luz, los proplastidios se convierten en etioplastos que contienen estructuras de membrana semicristalina denominadas cuerpos prolamelares. Cuando se exponen a la luz, estos cuerpos prolamelares se convierten en tilacoides. Esto no sucede en plántulas cultivadas en la oscuridad, que sufren etiolación. Una subexposición a la luz puede hacer que los tilacoides fallen. Esto hace que los cloroplastos fallen y la planta muera.

La formación de tilacoides requiere la acción de la proteína inductora de vesículas en plástidos 1 (VIPP1). Las plantas no pueden sobrevivir sin esta proteína, y los niveles reducidos de VIPP1 conducen a un crecimiento más lento y plantas más pálidas con una capacidad reducida para realizar la fotosíntesis. VIPP1 parece ser necesario para la formación básica de la membrana de los tilacoides, pero no para el ensamblaje de los complejos proteicos de la membrana de los tilacoides. Se conserva en todos los organismos que contienen tilacoides, incluidas las cianobacterias, las algas verdes, como Chlamydomonas, y las plantas superiores, como Arabidopsis thaliana.

Aislamiento y fraccionamiento

Los tilacoides se pueden purificar a partir de células vegetales mediante una combinación de centrifugación diferencial y en gradiente. La ruptura de tilacoides aislados, por ejemplo mediante cizallamiento mecánico, libera la fracción luminal. Las fracciones de membrana periférica e integral se pueden extraer de la fracción de membrana restante. El tratamiento con carbonato de sodio (Na₂CO₃) separa las proteínas de la membrana periférica, mientras que el tratamiento con detergentes y disolventes orgánicos solubiliza las proteínas integrales de la membrana.

Proteínas

Disco tilakoide con proteínas incrustadas y asociadas.

Los tilacoides contienen muchas proteínas de membrana integrales y periféricas, así como proteínas luminales. Estudios proteómicos recientes de fracciones de tilacoides han proporcionado más detalles sobre la composición proteica de los tilacoides. Estos datos se han resumido en varias bases de datos de proteínas de plástidos que están disponibles en línea.

Según estos estudios, el proteoma tilacoidal consta de al menos 335 proteínas diferentes. De estos, 89 están en el lumen, 116 son proteínas integrales de membrana, 62 son proteínas periféricas en el lado del estroma y 68 proteínas periféricas en el lado del lumen. Se pueden predecir proteínas luminales de baja abundancia adicionales mediante métodos computacionales. De las proteínas tilacoides con funciones conocidas, el 42% participa en la fotosíntesis. Los siguientes grupos funcionales más grandes incluyen proteínas involucradas en el direccionamiento, procesamiento y plegamiento de proteínas con un 11 %, respuesta al estrés oxidativo (9 %) y traducción (8 %).

Proteínas integrales de membrana

Las membranas tilacoides contienen proteínas de membrana integrales que desempeñan un papel importante en la captación de luz y en las reacciones de fotosíntesis dependientes de la luz. Hay cuatro complejos proteicos principales en la membrana tilacoide:

• Sistemas de foto I y II
• complejo de citocromo b6f
• ATP synthase

El fotosistema II se encuentra principalmente en los tilacoides de grana, mientras que el fotosistema I y la ATP sintasa se encuentran principalmente en los tilacoides del estroma y las capas externas de grana. El complejo de citocromo b6f se distribuye uniformemente a lo largo de las membranas de los tilacoides. Debido a la ubicación separada de los dos fotosistemas en el sistema de membrana tilacoidal, se requieren transportadores de electrones móviles para transportar electrones entre ellos. Estos portadores son plastoquinona y plastocianina. La plastoquinona transporta electrones desde el fotosistema II al complejo citocromo b6f, mientras que la plastocianina transporta electrones desde el complejo citocromo b6f al fotosistema I.

Juntas, estas proteínas utilizan la energía de la luz para impulsar cadenas de transporte de electrones que generan un potencial quimiosmótico a través de la membrana tilacoide y NADPH, un producto de la reacción redox terminal. La ATP sintasa utiliza el potencial quimiosmótico para producir ATP durante la fotofosforilación.

Fotosistemas

Estos fotosistemas son centros redox impulsados por la luz, cada uno de los cuales consta de un complejo de antenas que utiliza clorofilas y pigmentos fotosintéticos accesorios, como carotenoides y ficobiliproteínas, para recolectar luz en una variedad de longitudes de onda. Cada complejo de antena tiene entre 250 y 400 moléculas de pigmento y la energía que absorben es transportada por transferencia de energía de resonancia a una clorofila a especializada en el centro de reacción de cada fotosistema. Cuando cualquiera de las dos moléculas de clorofila a en el centro de reacción absorbe energía, se excita un electrón y se transfiere a una molécula aceptora de electrones. El fotosistema I contiene un par de moléculas de clorofila a, denominadas P700, en su centro de reacción que absorbe al máximo 700 nm de luz. Photosystem II contiene clorofila P680 que absorbe mejor la luz de 680 nm (tenga en cuenta que estas longitudes de onda corresponden al rojo intenso; consulte el espectro visible). La P es la abreviatura de pigmento y el número es el pico de absorción específico en nanómetros para las moléculas de clorofila en cada centro de reacción. Este es el pigmento verde presente en las plantas que no es visible a simple vista.

Complejo de citocromo b6f

El complejo citocromo b6f es parte de la cadena de transporte de electrones de los tilacoides y acopla la transferencia de electrones al bombeo de protones en la luz de los tilacoides. Energéticamente, se sitúa entre los dos fotosistemas y transfiere electrones del fotosistema II-plastoquinona al plastocianina-fotosistema I.

ATP sintasa

La ATP sintasa tilacoidal es una CF1FO-ATP sintasa similar a la ATPasa mitocondrial. Está integrado en la membrana tilacoide con la parte CF1 adherida al estroma. Por lo tanto, la síntesis de ATP ocurre en el lado del estroma de los tilacoides donde se necesita el ATP para las reacciones de fotosíntesis independientes de la luz.

Proteínas del lumen

La proteína de transporte de electrones plastocianina está presente en la luz y transporta electrones desde el complejo proteico del citocromo b6f al fotosistema I. Mientras que las plastoquinonas son solubles en lípidos y, por lo tanto, se mueven dentro de la membrana del tilacoide, la plastocianina se mueve a través de la luz del tilacoide.

La luz de los tilacoides es también el sitio de oxidación del agua por el complejo de evolución de oxígeno asociado con el lado de la luz del fotosistema II.

Las proteínas luminales se pueden predecir computacionalmente en función de sus señales de orientación. En Arabidopsis, de las proteínas luminales pronosticadas que poseen la señal Tat, los grupos más grandes con funciones conocidas están involucrados en un 19 % en el procesamiento de proteínas (proteólisis y plegamiento), un 18 % en la fotosíntesis, un 11 % en el metabolismo y un 7 % en portadores redox y defensa..

Expresión de proteínas

Los cloroplastos tienen su propio genoma, que codifica varias proteínas tilacoides. Sin embargo, durante el curso de la evolución de los plástidos a partir de sus ancestros endosimbióticos cianobacterianos, tuvo lugar una amplia transferencia de genes desde el genoma del cloroplasto al núcleo celular. Esto da como resultado que los cuatro complejos principales de proteínas tilacoides sean codificados en parte por el genoma del cloroplasto y en parte por el genoma nuclear. Las plantas han desarrollado varios mecanismos para co-regular la expresión de las diferentes subunidades codificadas en los dos orgánulos diferentes para asegurar la correcta estequiometría y ensamblaje de estos complejos proteicos. Por ejemplo, la transcripción de genes nucleares que codifican partes del aparato fotosintético está regulada por la luz. La biogénesis, la estabilidad y el recambio de los complejos de proteínas tilacoides están regulados por la fosforilación a través de quinasas sensibles a redox en las membranas tilacoides. La tasa de traducción de las proteínas codificadas por cloroplastos está controlada por la presencia o ausencia de compañeros de ensamblaje (control por epistasía de síntesis). Este mecanismo implica una retroalimentación negativa a través de la unión del exceso de proteína al 5' región no traducida del ARNm del cloroplasto. Los cloroplastos también necesitan equilibrar las proporciones del fotosistema I y II para la cadena de transferencia de electrones. El estado redox de la plastoquinona portadora de electrones en la membrana tilacoidal afecta directamente la transcripción de los genes del cloroplasto que codifican proteínas de los centros de reacción de los fotosistemas, contrarrestando así los desequilibrios en la cadena de transferencia de electrones.

Proteína dirigida a los tilacoides

Representación esquemática de las vías de selección de proteínas tilakoideas.

Las proteínas tilacoides se dirigen a su destino a través de péptidos señal y vías secretoras de tipo procariótico dentro del cloroplasto. La mayoría de las proteínas tilacoides codificadas por el genoma nuclear de una planta necesitan dos señales de dirección para una localización adecuada: un péptido dirigido al cloroplasto N-terminal (mostrado en amarillo en la figura), seguido de un péptido dirigido a los tilacoides (mostrado en azul). Las proteínas se importan a través del translocón de los complejos de membrana externa e interna (Toc y Tic). Después de ingresar al cloroplasto, el primer péptido objetivo es separado por una proteasa que procesa las proteínas importadas. Esto desenmascara la segunda señal de orientación y la proteína se exporta desde el estroma al tilacoide en un segundo paso de orientación. Este segundo paso requiere la acción de los componentes de translocación de proteínas de los tilacoides y depende de la energía. Las proteínas se insertan en la membrana a través de la vía dependiente de SRP (1), la vía dependiente de Tat (2) o espontáneamente a través de sus dominios transmembrana (no se muestra en la figura). Las proteínas luminales se exportan a través de la membrana tilacoide hacia la luz mediante la vía dependiente de Tat (2) o la vía dependiente de Sec (3) y se liberan por escisión de la señal de direccionamiento de los tilacoides. Las diferentes vías utilizan diferentes señales y fuentes de energía. La vía Sec (secretora) requiere ATP como fuente de energía y consta de SecA, que se une a la proteína importada y un complejo de membrana Sec para transportar la proteína. Las proteínas con un motivo de arginina gemela en su péptido señal tilacoide se transportan a través de la vía Tat (translocación de arginina gemela), que requiere un complejo Tat unido a la membrana y el gradiente de pH como fuente de energía. Algunas otras proteínas se insertan en la membrana a través de la vía SRP (partícula de reconocimiento de señal). El cloroplasto SRP puede interactuar con sus proteínas diana ya sea postraduccionalmente o cotraduccionalmente, transportando así proteínas importadas así como aquellas que se traducen dentro del cloroplasto. La vía SRP requiere GTP y el gradiente de pH como fuentes de energía. Algunas proteínas transmembrana también pueden insertarse espontáneamente en la membrana desde el lado del estroma sin requerimiento de energía.

Función

Reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis en la membrana tilakoide

Los tilacoides son el sitio de las reacciones de fotosíntesis dependientes de la luz. Estos incluyen la oxidación del agua impulsada por la luz y la evolución del oxígeno, el bombeo de protones a través de las membranas de los tilacoides junto con la cadena de transporte de electrones de los fotosistemas y el complejo de citocromos, y la síntesis de ATP por la ATP sintasa utilizando el gradiente de protones generado.

Fotólisis del agua

El primer paso en la fotosíntesis es la reducción (división) del agua impulsada por la luz para proporcionar los electrones para las cadenas de transporte de electrones fotosintéticos, así como los protones para el establecimiento de un gradiente de protones. La reacción de división del agua ocurre en el lado de la luz de la membrana tilacoide y es impulsada por la energía de la luz capturada por los fotosistemas. Esta oxidación del agua produce convenientemente el producto de desecho O₂ que es vital para la respiración celular. El oxígeno molecular formado por la reacción se libera a la atmósfera.

Cadenas de transporte de electrones

Durante la fotosíntesis se utilizan dos variaciones diferentes del transporte de electrones:

• El transporte no cíclico de electrones o fotofosforilación no cíclica produce NADPH + H⁺ y ATP.
• El transporte de electrones cíclico o fotofosforilación cíclica produce sólo ATP.

La variedad no cíclica involucra la participación de ambos fotosistemas, mientras que el flujo de electrones cíclico depende solo del fotosistema I.

• Photosystem I uses light energy to reduce NADP⁺ a NADPH + H⁺, y está activo en el transporte de electrones no cíclico y cíclico. En el modo cíclico, el electron energizado se pasa por una cadena que finalmente la devuelve (en su estado base) a la clorofila que la energizó.
• Photosystem II utiliza energía ligera para oxidar moléculas de agua, produciendo electrones (e⁻), protones (H⁺), y oxígeno molecular (O₂), y es sólo activo en el transporte no cíclico. Los electrones en este sistema no se conservan, pero están entrando constantemente de 2H oxidado₂O (O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻) y salir con NADP⁺ cuando finalmente se reduce a NADPH.

Quimiosmosis

Una función importante de la membrana tilacoidal y sus fotosistemas integrales es el establecimiento del potencial quimiosmótico. Los transportadores en la cadena de transporte de electrones utilizan parte de la energía de los electrones para transportar activamente protones desde el estroma hasta la luz. Durante la fotosíntesis, la luz se vuelve ácida, con un pH tan bajo como 4, en comparación con el pH 8 del estroma. Esto representa un gradiente de concentración de 10.000 veces para protones a través de la membrana tilacoide.

Fuente del gradiente de protones

Los protones en el lumen provienen de tres fuentes principales.

• Fotolisis por fotosistema II oxida agua a oxígeno, protones y electrones en el lumen.
• La transferencia de electrones de fotosistema II a plastoquinona durante el transporte no cíclico de electrones consume dos protones de la estroma. Estos se liberan en el lumen cuando el plastoquinol reducido es oxidado por el complejo de proteínas de citocromo b6f en el lado lumen de la membrana tilakoidea. Desde la piscina de plastoquinona, los electrones pasan por el complejo de citocromo b6f. Este conjunto de membrana integral se asemeja a cytochrome bc1.
• La reducción de plastoquinona por ferredoxina durante el transporte de electrones cíclico también transfiere dos protones de la estroma a la lumen.

El gradiente de protones también es causado por el consumo de protones en el estroma para producir NADPH a partir de NADP+ en la NADP reductasa.

Generación de ATP

El mecanismo molecular de generación de ATP (trifosfato de adenosina) en los cloroplastos es similar al de las mitocondrias y toma la energía requerida de la fuerza motriz de protones (PMF). Sin embargo, los cloroplastos dependen más del potencial químico del PMF para generar la energía potencial necesaria para la síntesis de ATP. El PMF es la suma de un potencial químico de protones (dado por el gradiente de concentración de protones) y un potencial eléctrico transmembrana (dado por la separación de carga a través de la membrana). En comparación con las membranas internas de las mitocondrias, que tienen un potencial de membrana significativamente mayor debido a la separación de carga, las membranas tilacoides carecen de gradiente de carga. Para compensar esto, el gradiente de concentración de protones de 10.000 veces a través de la membrana tilacoide es mucho más alto en comparación con un gradiente de 10 veces a través de la membrana interna de las mitocondrias. El potencial quimiosmótico resultante entre la luz y el estroma es lo suficientemente alto como para impulsar la síntesis de ATP utilizando la ATP sintasa. A medida que los protones viajan de regreso por el gradiente a través de canales en la ATP sintasa, ADP + P_i se combinan en ATP. De esta manera, las reacciones dependientes de la luz se acoplan a la síntesis de ATP a través del gradiente de protones.

Membranas tilacoides en cianobacterias

Tilakoids (verde) dentro de un cyanobacterium (Sinechocystis)

Las cianobacterias son procariotas fotosintéticas con sistemas de membrana altamente diferenciados. Las cianobacterias tienen un sistema interno de membranas tilacoides donde residen las cadenas de transferencia de electrones completamente funcionales de la fotosíntesis y la respiración. La presencia de diferentes sistemas de membranas otorga a estas células una complejidad única entre las bacterias. Las cianobacterias deben poder reorganizar las membranas, sintetizar nuevos lípidos de membrana y dirigir adecuadamente las proteínas al sistema de membrana correcto. La membrana externa, la membrana plasmática y las membranas tilacoides tienen funciones especializadas en la célula cianobacteriana. Comprender la organización, la funcionalidad, la composición proteica y la dinámica de los sistemas de membrana sigue siendo un gran desafío en la biología celular de las cianobacterias.

En contraste con la red de tilacoides de las plantas superiores, que se diferencia en grana y estroma laminillas, los tilacoides de las cianobacterias están organizados en múltiples capas concéntricas que se dividen y fusionan en capas paralelas formando una red altamente conectada. Esto da como resultado una red continua que encierra una sola luz (como en los cloroplastos de las plantas superiores) y permite que las moléculas solubles en agua y en lípidos se difundan a través de toda la red de membranas. Además, a menudo se observan perforaciones dentro de las láminas paralelas de tilacoides. Estos espacios en la membrana permiten el tráfico de partículas de diferentes tamaños a través de la célula, incluidos los ribosomas, los gránulos de glucógeno y los cuerpos lipídicos. La distancia relativamente grande entre los tilacoides proporciona espacio para las antenas captadoras de luz externas, los ficobilisomas. Esta macroestructura, como en el caso de las plantas superiores, muestra cierta flexibilidad durante los cambios en el entorno fisicoquímico.