Tylakoidní membrána, sídlo fotosyntézy

J. Barber a B. Andersson rekapitulují současný stav poznání fotosyntézy na podbuněčné úrovni (Nature 370, 31, 1994). Vyjadřují přesvědčení, že se fotosyntetický aparát může stát prvním komplexním biologickým systémem, jehož struktura, funkce a regulace budou popsány na úrovni atomů.

Fotosyntéza

bývá ve školních učebnicích vysvětlována jako vytváření organických látek rostlinami z vody a atmosférického oxidu uhličitého za současného uvolňování kyslíku, s využitím slunečního světla jako zdroje energie. Je to nejrozšířenější chemický proces (či spíše soubor procesů) na Zemi. Rostliny ročně zabudují do organických látek více než sto miliard tun uhlíku a uvolní odpovídající množství kyslíku, nezbytného pro dýchání živočichů. Primární produkce autotrofních rostlin je základem existence biosféry.

Podstatou fotosyntézy

však není fixace anorganického uhlíku, ale přeměna zářivé energie Slunce na chemickou volnou energii, kterou lze využít k biosyntéze organických látek. Je zajímavé, že rostliny takto přeměňují méně než jedno procento celkového množství fotosynteticky účinného záření (o vlnové délce asi 400 až 700 nanometrů), které dopadá na Zemi.

Přeměnu zářivé energie na energii chemickou označujeme jako primární, „světelné“ procesy fotosyntézy. Fixace oxidu uhličitého a na ni navazující chemické děje až po syntézu sacharózy nebo škrobu jsou sekundární, „temnotní“, na slunečním záření v zásadě nezávislé procesy.

Látkami umožňujícími průběh primárních procesů fotosyntézy jsou chlorofyly, sloučeniny ze skupiny tetrapyrolů, s hořčíkem jako středovým atomem v molekule a s navázaným alifatickým alkoholem fytolem. (Připomeňme, že u slanobytných fotosyntetických bakterií z rodu Halobacterium je chlorofyl „zastoupen“ karotenoidem bakteriorodopsinem.)

Fotosynteticky membrána

je struktura, na kterou jsou primární procesy fotosyntézy vázány. U fotosyntetizujících bakterií (které při fotosyntéze neprodukují kyslík) funguje jako fotosyntetická membrána jejich povrchová, plazmatická membrána. U rostlin (počínaje sinicemi a konče vyššími rostlinami), které při fotosyntéze rozkládají vodu a uvolňují kyslík, jsou v buňkách diferencovány specializované fotosyntetické membrány, zvané tylakoidní.

Tylakoidní membrána (český termín „blána“ se v této souvislosti nepoužívá) je tvořena, podobně jako jiné buněčné membrány, dvojvrstvou lipidů, do které jsou jako v tekuté mozaice zabudovány bílkoviny. S těmi jsou pak spojeny další látky, např. barviva, zejména chlorofyly. Odhaduje se, že tylakoidní membrány jsou nejrožšířenějším typem biologických membrán.

U prokaryotickych sinic vznikají tylakoidní membrány vchlipováním plazmatické membrány a leží volně v cytoplazmě. U všech eukaryotických řas a u vyšších rostlin (odvozených ve fylogenezi od zelených řas) vznikají tylakoidní membrány vchlipováním vnitřní obalové membrány fotosyntetických organel – plastidů. U zelených řas a vyšších rostlin jsou tyto plastidy zelené a nazývají se chloroplasty. U jiných skupin řas (např. u ruduch nebo hnědých řas) je zelená barva chlorofylů v plastidech překryta jinými barvivy (karotenoidy, fykobiliny). Plastidy se zřejmě ve fylogenezi vyvinuly vnitrobuněčnou symbiózou z fotosyntetizujících prokaryotů a heterotrofních eukaryotických buněk (u některých skupin řas, jako jsou např. skrytěnky, dokonce opakovanou endosymbiózou dvou typů eukaryotických buněk). Soustředíme se na tylakoidní membrány v chloroplastech vyšších rostlin. Díky přítomnosti těchto membrán jsou rostliny zelené.

Tylakoid

je slovo pocházející z řečtiny a znamená „podobný pytli“. Tylakoidy jsou ploché váčky, a to buď přibližně kulaté, o průměru zpravidla méně než jeden mikrometr, nebo užší a protáhlé v jednom směru. Jsou tvořeny tylakoidními membránami, jejichž tloušťka se pohybuje okolo šesti nanometrů.

Složkami tylakoidních membrán jsou mj. dva typy chlorofylbílkovinných komplexů (PS1 a PS2). Molekuly chlorofylu (označovaného jako chlorofyl a) v reakčních centrech obou komplexů mají schopnost přenášet elektrony (odebírané z molekul vody) přes tylakoidní membránu, proti potenciálovému spádu. Oddělení elektrických nábojů v reakčních centrech je vlastní podstatou fotosyntetické přeměny energie.

Pro každé reakční centrum sbírá (soustřeďuje) zářivou energii několik stovek molekul chlorofylů (chlorofyl a, chlorofyl b) a dalších barviv, karotenů a xantofylů, tvořících ve vazbě na bílkoviny světlosběrné komplexy fotosystémů.

Fotolýza

Elektrony jsou u všech rostlin, počínaje sinicemi, získávány z molekul vody, které je na Zemi nevyčerpatelná zásoba. Molekuly vody jsou štěpeny na vodíkové ionty (protony), na elektrony a na kyslík,

který uniká do ovzduší. Tento proces se nazývá fotolýza vody. Vytváří se elektrochemický gradient: uvnitř tylakoidů se hromadí protony, na vnější straně tylakoidní membrány elektrony. Energie, akumulovaná v podobě tohoto gradientu, je využívána k syntéze energií bohatých (makroergických) sloučenin: adenosintrifosfátu (ATP) a redukovaného nikotinamid adenin dinukleotid fosfátu (NADPH + H⁺).

Elektrony z vody přecházejí na chlorofylbílkovinný komplex PS2. Mezí tímto fotosystémem a komplexem PS1, který přenáší elektrony a protony na NADP, leží přenašeče elektronů: plastochinon, rozpustný v membránových lipidech, membránový bílkovinný komplex cytochromů b a f (cyt. b/f) a bílkovina plastocyanin, rozpustná ve vodném prostředí vnitřku tylakoidů. Další rozpustný bílkovinný přenašeč, ferredoxin, přenáší elektrony z PS1 na NADP a nachází se při vnějším povrchu tylakoidů, v základní hmotě (stromatu) chloroplastů. Celý tento fotosyntetický řetězec přenosu elektronů ukazuje ve velmi zjednodušené podobě obr. 1.

Čtyři komplexy tylakoidních membrán

Pro procesy fotosyntetického transportu elektronů a fotosyntetické fosforylace (fotofosforylace) jsou tedy nezbytné čtyři bílkovinné komplexy tylakoidních membrán: PS1, cyt. b/f, PS2 a CF. Ukazuje se, že velký význam pro regulaci těchto procesů mají také složení a stav lipidové dvojvrstvy tylakoidní membrány. Taje tvořena převážně galaktolipidy (tuky obsahujícími monosacharid galaktózu) narozdíl od většiny ostatních biomembrán, ve kterých převládají fosfolipidy. Pro membrány tylakoidů je dále typický, srovnáváme-li je s jinými biologickými membránami, vysoký relativní obsah bílkovin.

Uvedené schéma fotosyntetického transportu elektronů v zásadě navrhli již r. 1960 R. Hill a F. Bendall. Bývá nazýváno „Z-schéma“. Zobrazíme-li je totiž s pomocí pravoúhlých souřadnic tak, že vynášíme na ose x posloupnost transportních dějů a na ose y oxidačně-redukční potenciál příslušných přenašečů elektronů, sleduje pohyb elektronů tvar písmene Z, pootočeného o devadesát stupňů. Podrobné poznání prostorové struktury a funkčního uspořádání složek tylakoidní membrány je úspěchem posledních dvou desetiletí.

Chloroplast

je geneticky semiautonomní organela (viz obr. 2), a proto také jednotlivé bílkovinné složky tylakoidní membrány jsou kódovány buď jaderným, nebo chloroplastovým genomem. Např. bílkoviny LHC jsou kódovány jadernou DNA, bílkoviny reakčních center PS1 a PS2 chloroplastovou DNA. (Celkově je asi devět desetin chloroplastových bílkovin kódováno v buněčném jádře.) Bílkoviny, kódované v jádře a syntetizované na cytoplazmatických ribozomech, musí být dopraveny na místo svého určení do chloroplastu přinejmenším přes obě jeho obalové membrány. Je to energeticky náročný děj, vyžadující dočasné připojení takzvaného tranzitního peptidu a pravděpodobně také změnu konformace bílkovinné molekuly. Aby mohla vzniknout funkční tylakoidní membrána (a celý chloroplast), je třeba dokonalé souhry obou (kdysi samostatných) genomů, chloroplastového a jaderného.

Jak už bylo řečeno, tylakoidy vznikají vchlipováním vnitřní obalové membrány chloroplastu. Tato membrána představuje podle endosymbiotické teorie vzniku plastidů povrchovou, plazmatickou membránu někdejšího endosymbionta, zatímco vnější obalová membrána původně patřila hostitelské buňce.

Periplastidový prostor,

tj. prostor neboli kompartment mezi oběma obalovými membránami, je první kompartment chloroplastu, vnitřek systému tylakoidů (jejich světlosti zvané lokuly jsou v celém chloroplastu vzájemně propojené) druhý kompartment chloroplastu. Přestože tyto dva kompartmenty vývojově souvisejí, v plně vyvinutém chloroplastu již propojeny nejsou. Třetím kompartmentem je stroma, ve kterém jsou tylakoidy uloženy. Zde probíhají fixace oxidu uhličitého a další „temnotní“ reakce fotosyntézy.

Většina tylakoidů neleží ve stromatu volně, jednotlivě, ale tvoří agregáty – grana (cytologové 19. a počátku 20. století je považovali za zrna chlorofylu). V granech jsou jednotlivé okrouhlé tylakoidy, někdy nazývané „disky“, k sobě pevně přitisknuty.

Grana

jsou vzájemně propojena protáhlými intergranálními tylakoidy (viz obr. 3). Přitisknutí zřejmě zprostředkovávají LHC PS2. Složení tylakoidů v granech a intergranálních, nepřitisknutých tylakoidů se liší. Hlavním rozdílem je, že v granech (přesněji v přitisknutých oblastech tylakoidů) převládá PS2, zatímco v nepřitisknutých tylakoidních membránách převažuje PS1. Výhradně v nepřitisknutých (do stromatu obrácených) membránách jsou lokalizovány částice CF. Připomeňme, že v mnoha pracích o chloroplastech je pro tylakoidy poněkud nevhodně používán termín „lamely“.

Diferenciace tylakoidů na přitisknuté a nepřitisknuté (granální a intergranální) není statická. Prostorově neobyčejně komplikovaný systém tylakoidů je patrně v neustálém pohybu, který mu umožňuje co nejlépe využívat dopadající zářivou energii a bránit se poškození nadměrným ozářením. Informují nás o tom (vedle nepřímých metod, jakou je studium fluorescence chloroplastů) snímky z elektronového mikroskopu.

Regulace struktury

V osmdesátých letech byla popsána regulace struktury, distribuce a funkce obou fotosystémů vlnovou délkou a intenzitou dopadajícího slunečního záření, takzvaný přechod ze stavu 1 do stavu 2.

Stav 1 odpovídá slabšímu a dlouhovlnnějšímu ozáření, jaké bývá v zástinu nebo když je Slunce nízko nad obzorem. Při něm je z obou fotosystémů více zásobován energií (více excitován) PS 1, který má absorpční maximum při vlnové délce asi 700 nanometrů. Systém tylakoidů má při něm „stínobytný“ charakter – obsahuje velká grana, tvořená mnoha tylakoidy. Při ozáření silnějším a krátkovlnnějším zářením je více excitován PS 2 s absorpčním maximem asi 680 nanometrů. V elektrontransportním řetězci dochází k silné redukci plastochinonu.

Redukovaný plastochinon

aktivuje enzym kinázu vázaný na tylakoidní membrány, a ten fosforyluje část bílkovin LHC 2. Fosforylované vnější části LHC 2 se oddělují od PS 2 a putují do nepřitisknutých oblastí tylakoidních membrán, kde se vážou k PS 1 a zvyšují jeho zásobení zářivou energií. PS 2 je tak chráněn před poškozením nadměrným ozářením (fotoinhibicí) a dopadající záření je lépe využito. Přitisknutí granálních tylakoidů, zprostředkované LHC 2, se částečně uvolňuje, systém tylakoidů nabývá „světlobytného“ charakteru: menší grana, více nepřitisknutých tylakoidů. Sníží-li se výrazně stupeň redukce plastochinonu (snížením aktivity PS 2), nastává defosforylace PS 2 a návrat systému tylakoidů do stavu 1. Je zajímavé, že stejná vnější část LHC 2, která zprostředkovává tyto rychlé reakce tylakoidních membrán na ozářenost (trvají řádově desítky minut), se patrně uplatňuje i při dlouhodobých přizpůsobeních fotosyntetického aparátu různým podmínkám ozářenosti (např.

na různých místech v koruně stromu). Tam se však již dostává do hry také regulace exprese genů, kódujících příslušné bílkoviny. I při ní působí redoxní stav elektrontransportního řetězce fotosyntézy (viz např. Current Biol. 2, 869–872, 1995). Kvalitě a kvantitě dopadajícího záření se přizpůsobuje, prostřednictvím regulace exprese chloroplastových genů, i množství bílkovin reakčních center PS 2.

Reakce na zvýšenou teplotu

Popsané pohyby uvnitř systému tylakoidů nejsou zdaleka jediné. Tylakoidní membrány umějí reagovat například také na zvýšenou teplotu. Při ní se oddělují naopak od svých LHC reakční centra PS 2 a přesunují se do nepřitisknutých oblastí tylakoidů. K pohybům bílkovinných částic uvnitř tylakoidních membrán musí však docházet již při růstu a diferenciaci systému tylakoidů. Např. komplexy PS 2 jsou syntetizovány a „skládány“ v nepřitisknutých oblastech tylakoidů, a potom jsou přesouvány do gran.

Systém tylakoidů v chloroplastech

se vyvíjí v průběhu ontogeneze listů. V mladých listech bývají chloroplasty s jednoduchými proděravělými tylakoidy, uloženými ve stromatu rovnoběžně. Přerůstáním okrajů těchto otvorů vznikají základy gran. Zákonitosti vývoje ultrastruktury chloroplastů pomáhá odhalovat kvantitativní, stereologické studium elektronmikroskopických snímků chloroplastů v různě starých listech.

Také destrukce tylakoidních membrán ve stárnoucích chloroplastech žloutnoucích listů není náhodný proces, ale řízené odbourávání. Rostlina odvádí z listů, které se „chystá“ odhodit, mnoho využitelných látek, mezi jinými i aminokyseliny pocházející z bílkovin chlorofylbílkovinných komplexů tylakoidních membrán.