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チラコイドは、葉緑体およびシアノバクテリア内部にある膜で囲まれた区画です。光合成の光依存性反応が行われる場所です。チラコイドは、チラコイド内腔を囲むチラコイド膜から構成されています。葉緑体のチラコイドは、グラナ（単数形：グラナム）と呼ばれる円盤状の構造が積み重なって形成されることがよくあります。グラナは、グラナム間またはストロマチラコイドによって連結されており、これらのチラコイドがグラナムの積み重なった構造を単一の機能的な区画として結合しています。
チラコイド膜では、クロロフィル色素はクアンタソームと呼ばれる小胞の中に存在している。各クアンタソームには230～250個のクロロフィル分子が含まれている。
チラコイドという言葉は、ギリシャ語のthylakosまたはθύλακοςに由来し、「袋」または「ポーチ」を意味します。[ 1 ]したがって、チラコイドは「袋状」または「ポーチ状」を意味します。
チラコイドは、葉緑体ストロマに埋め込まれた膜構造である。チラコイドが積み重なったものをグラナムと呼び、コインを積み重ねたような形をしている。
チラコイド膜は、光合成色素が膜に直接埋め込まれた光合成の光依存性反応の場です。チラコイド膜は、それぞれ1ナノメートルの暗帯と明帯が交互に並んだパターンです。[ 3 ]チラコイド脂質二重層は、原核生物の膜や葉緑体の内膜と特徴的な構造を共有しています。例えば、酸性脂質はチラコイド膜、シアノバクテリア、その他の光合成細菌に見られ、光合成系の機能的完全性に関与しています。[ 4 ]高等植物のチラコイド膜は、主にリン脂質[ 5 ]と、膜に沿っておよび膜を横切って非対称に配置されたガラクト脂質で構成されています。[ 6 ]チラコイド膜はリン脂質よりもガラクト脂質が豊富で、主に六角形の第II相を形成するモノガラコトシルジグリセリド脂質で構成されています。このような構成にもかかわらず、植物のチラコイド膜は主に脂質二重層の動的な組織化をとることが示されている。[ 7 ]流動性の高いリノレン酸[ 8 ]を豊富に含むチラコイド膜を形成する脂質は、小胞体と色素体包膜の内膜の間で脂質前駆体を交換する複雑な経路で合成され、小胞を介して内膜からチラコイドに輸送される。[ 9 ]
チラコイド内腔は、チラコイド膜に囲まれた連続的な水相である。光合成における光リン酸化において重要な役割を果たす。光依存性反応の間、プロトンはチラコイド膜を介して内腔に送り込まれ、内腔はpH4まで酸性になる。
高等植物では、チラコイドはグラナム-ストロマ膜集合体に組織化されています。グラナム（複数形はグラナ）はチラコイドディスクのスタックです。葉緑体には10～100個のグラナが存在することがあります。グラナはストロマチラコイド（インターグラナルチラコイドまたはラメラとも呼ばれる）によって連結されています。グラナチラコイドとストロマチラコイドは、タンパク質組成の違いによって区別できます。グラナは、葉緑体の表面積対体積比を大きくするのに寄与しています。最近のチラコイド膜の電子トモグラフィー研究では、ストロマラメラがグラナスタック軸に垂直な広いシート状に組織化され、グラナ界面に複数の右巻きらせん面を形成していることが示されています。[ 2 ]左巻きらせん面は、右巻きらせんとシートの間に統合されています。異なる半径とピッチのらせん状膜表面が交互に並んだこの複雑なネットワークは、膜の表面エネルギーと曲げエネルギーを最小化することが示された。[ 2 ]この新しいモデル（これまでに作成された中で最も広範なモデル）は、一見矛盾する2つの古いモデル[ 10 ] [ 11 ]の特徴が構造内に共存していることを明らかにした。特に、交互に回転するらせん要素の同様の配置は、「駐車場」構造と呼ばれることが多く、小胞体[ 12 ]および超高密度核物質[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]に存在すると提案されている。この構造組織は、高密度に充填された層またはシート間を接続するための基本的な幾何学を構成する可能性がある。[ 2 ]
葉緑体は、実生が地面から芽を出すときに原形質体から発達します。チラコイドの形成には光が必要です。植物胚では、光がない状態では原形質体がエチオプラストに発達し、その中にプロラメラ体と呼ばれる半結晶性の膜構造が含まれています。光にさらされると、これらのプロラメラ体はチラコイドに発達します。暗所で育った実生ではこの過程は起こらず、エチオレーション（黄化）が起こります。光への曝露が不足すると、チラコイドが機能不全に陥ることがあります。これにより葉緑体が機能不全に陥り、植物は枯死します。
チラコイドの形成には、プラスチド小胞誘導タンパク質1 （VIPP1）の作用が必要です。植物はこのタンパク質なしでは生存できず、VIPP1レベルの低下は成長の遅延や植物の色が薄くなり、光合成能力が低下します。VIPP1は基本的なチラコイド膜の形成には必要ですが、チラコイド膜のタンパク質複合体の組み立てには必要ないようです。[ 16 ]これは、シアノバクテリア[ 17 ] 、クラミドモナスなどの緑藻[ 18 ]、シロイヌナズナなどの高等植物[ 19 ]を含む、チラコイドを含むすべての生物で保存されています。
チラコイドは、分画遠心分離と勾配遠心分離を組み合わせることで植物細胞から精製できます。[ 20 ]分離したチラコイドを機械的せん断などで破壊すると、内腔画分が放出されます。残りの膜画分から、周辺膜画分と内在膜画分を抽出できます。炭酸ナトリウム（Na2CO3 ）で処理すると周辺膜タンパク質が分離され、界面活性剤や有機溶媒で処理すると内在膜タンパク質が可溶化されます。
チラコイドには、内在性および周辺膜タンパク質、ならびに内腔タンパク質が多数含まれています。最近のチラコイド分画のプロテオミクス研究により、チラコイドのタンパク質組成に関する詳細が明らかになりました。[ 21 ]これらのデータは、オンラインで利用可能ないくつかのプラスチドタンパク質データベースにまとめられています。[ 22 ] [ 23 ]
これらの研究によると、チラコイドプロテオームは少なくとも335種類の異なるタンパク質から構成されている。そのうち89種類はルーメンに存在し、116種類は膜貫通タンパク質、62種類はストロマ側の末梢タンパク質、68種類はルーメン側の末梢タンパク質である。さらに、低存在量のルーメンタンパク質は計算手法によって予測できる。[ 20 ] [ 24 ]機能が既知のチラコイドタンパク質のうち、42%は光合成に関与している。次に大きな機能グループには、タンパク質ターゲティング、プロセシング、フォールディングに関与するタンパク質（11%）、酸化ストレス応答（9%）、翻訳（8%）が含まれる。[ 22 ]
チラコイド膜には、光捕集や光合成の光依存性反応において重要な役割を果たす膜貫通タンパク質が含まれている。チラコイド膜には主に4つのタンパク質複合体が存在する。
光化学系IIは主にグラナチラコイドに存在し、光化学系IとATP合成酵素は主にストロマチラコイドとグラナの外層に存在します。シトクロムb6f複合体はチラコイド膜全体に均一に分布しています。チラコイド膜系において2つの光化学系が別々の場所に配置されているため、両者の間で電子を輸送する可動性電子キャリアが必要です。これらのキャリアはプラストキノンとプラストシアニンです。プラストキノンは光化学系IIからシトクロムb6f複合体へ電子を輸送し、プラストシアニンはシトクロムb6f複合体から光化学系Iへ電子を輸送します。
これらのタンパク質は協働して光エネルギーを利用し、チラコイド膜を横切る化学浸透電位と、最終酸化還元反応の生成物であるNADPHを生成する電子伝達系を駆動する。ATP合成酵素は、光リン酸化の際にこの化学浸透電位を利用してATPを合成する。
これらの光化学系は光駆動型の酸化還元中心であり、それぞれがアンテナ複合体から構成されています。アンテナ複合体は、クロロフィルとカロテノイドやフィコビリプロテインなどの補助的な光合成色素を用いて、さまざまな波長の光を吸収します。各アンテナ複合体は250～400個の色素分子からなり、吸収されたエネルギーは共鳴エネルギー移動によって、各光化学系の反応中心にある特殊なクロロフィルaに伝達されます。反応中心にある2つのクロロフィルa分子のいずれかがエネルギーを吸収すると、電子が励起され、電子受容体分子に伝達されます。光化学系Iは、反応中心にP700と呼ばれる一対のクロロフィルa分子を持ち、700 nmの光を最大限に吸収します。光化学系IIは、680 nmの光を最もよく吸収するP680クロロフィルを持っています（これらの波長は濃い赤色に対応することに注意してください。可視スペクトルを参照してください）。Pは色素の略で、数字は各反応中心にあるクロロフィル分子の特定の吸収ピークをナノメートル単位で表したものです。これは植物に含まれる緑色の色素で、肉眼では見えないものです。
シトクロムb6f複合体はチラコイド電子伝達系の一部であり、電子伝達とプロトンのチラコイド内腔へのポンプ輸送を連動させる。エネルギー的には、2つの光化学系の間に位置し、光化学系II-プラストキノンからプラストシアニン-光化学系Iへ電子を伝達する。
チラコイドATPシンターゼは、ミトコンドリアATPaseと同様のCF1FO-ATPシンターゼである。これはチラコイド膜に組み込まれており、CF1部分はストロマ側に突き出ている。そのため、ATP合成はチラコイドのストロマ側で行われ、そこで光合成の光非依存性反応に必要なATPが生成される。
電子伝達タンパク質であるプラスチシアニンはチラコイド膜の内腔に存在し、シトクロムb6fタンパク質複合体から光化学系Iへ電子を輸送する。プラストキノンは脂溶性であるためチラコイド膜内を移動するが、プラスチシアニンはチラコイド膜の内腔を通って移動する。
チラコイドの内腔は、光化学系IIの内腔側に存在する酸素発生複合体による水の酸化が行われる場所でもある。
管腔タンパク質は、その標的シグナルに基づいて計算によって予測できます。シロイヌナズナでは、 Tatシグナルを持つ予測された管腔タンパク質のうち、既知の機能を持つ最大のグループは、タンパク質処理（タンパク質分解と折り畳み）に関与するものが19%、光合成に関与するものが18%、代謝に関与するものが11%、酸化還元キャリアと防御に関与するものが7%です。[ 20 ]
葉緑体は独自のゲノムを持ち、そこには多数のチラコイドタンパク質がコードされている。しかし、シアノバクテリアの細胞内共生祖先からプラスチドが進化する過程で、葉緑体ゲノムから細胞核への大規模な遺伝子転移が起こった。その結果、4つの主要なチラコイドタンパク質複合体は、一部が葉緑体ゲノムによって、一部が核ゲノムによってコードされるようになった。植物は、これら2つの異なる細胞小器官にコードされた異なるサブユニットの発現を共調節するいくつかのメカニズムを発達させており、これらのタンパク質複合体の適切な化学量論と組み立てを保証している。例えば、光合成装置の一部をコードする核遺伝子の転写は光によって調節される。チラコイドタンパク質複合体の生合成、安定性、およびターンオーバーは、チラコイド膜内の酸化還元感受性キナーゼによるリン酸化によって調節される。 [ 25 ]葉緑体コードタンパク質の翻訳速度は、アセンブリパートナーの存在または非存在によって制御される（合成のエピスタシスによる制御）。[ 26 ]このメカニズムには、過剰なタンパク質が葉緑体mRNAの5'非翻訳領域に結合することによる負のフィードバックが関与している。[ 27 ]葉緑体は、電子伝達鎖のために光化学系IとIIの比率のバランスを取る必要もある。チラコイド膜中の電子キャリアであるプラストキノンの酸化還元状態は、光化学系の反応中心のタンパク質をコードする葉緑体遺伝子の転写に直接影響を与え、電子伝達鎖の不均衡を打ち消す。[ 28 ]
チラコイドタンパク質は、シグナルペプチドと葉緑体内の原核生物型の分泌経路を介して目的地に輸送されます。植物の核ゲノムによってコードされるほとんどのチラコイドタンパク質は、適切な局在化のために2つのターゲティングシグナルを必要とします。N末端の葉緑体ターゲティングペプチド（図では黄色で示されています）に続いて、チラコイドターゲティングペプチド（青色で示されています）が続きます。タンパク質は、外膜および内膜（TocおよびTic）複合体のトランスロコンを介して輸送されます。葉緑体内に入ると、最初のターゲティングペプチドは、輸送されたタンパク質を処理するプロテアーゼによって切断されます。これにより、2番目のターゲティングシグナルが露出し、タンパク質は2番目のターゲティングステップでストロマからチラコイドに輸送されます。この2番目のステップには、チラコイドのタンパク質輸送コンポーネントの作用が必要であり、エネルギー依存的です。タンパク質は、SRP依存性経路（1）、Tat依存性経路（2）、または膜貫通ドメイン（図には示されていない）を介して自発的に膜に挿入される。内腔タンパク質は、Tat依存性経路（2）またはSec依存性経路（3）のいずれかによってチラコイド膜を横切って内腔に輸送され、チラコイド標的シグナルからの切断によって放出される。異なる経路は、異なるシグナルとエネルギー源を利用する。Sec（分泌）経路は、エネルギー源としてATPを必要とし、輸入されたタンパク質に結合するSecAと、タンパク質を膜を横切って輸送するSec膜複合体から構成される。チラコイドシグナルペプチドにツインアルギニンモチーフを持つタンパク質は、膜結合型Tat複合体とpH勾配をエネルギー源として必要とするTat（ツインアルギニン転座）経路を介して輸送される。他のいくつかのタンパク質は、SRP（シグナル認識粒子）経路を介して膜に挿入される。葉緑体SRPは、翻訳後または翻訳中に標的タンパク質と相互作用し、輸入されたタンパク質だけでなく、葉緑体内で翻訳されたタンパク質も輸送します。SRP経路は、エネルギー源としてGTPとpH勾配を必要とします。一部の膜貫通タンパク質は、エネルギーを必要とせずにストロマ側から膜に自発的に挿入されることもあります。[ 29 ]
チラコイドは、光合成における光依存性反応が行われる場所です。これらの反応には、光駆動による水の酸化と酸素の発生、光化学系とシトクロム複合体の電子伝達系と連動したチラコイド膜を介したプロトンの輸送、そして生成されたプロトン勾配を利用したATP合成酵素によるATP合成が含まれます。
光合成の最初のステップは、光駆動による水の還元（分解）であり、光合成電子伝達系に必要な電子と、プロトン勾配の形成に必要なプロトンを供給する。この水の分解反応はチラコイド膜の内腔側で起こり、光化学系によって捕捉された光エネルギーによって駆動される。この水の酸化反応によって、細胞呼吸に不可欠な老廃物である酸素（O₂ ）が都合よく生成される。反応によって生成された分子状酸素は大気中に放出される。
光合成では、2種類の異なる電子伝達方式が用いられる。
非循環型電子伝達は両方の光化学系が関与するのに対し、循環型電子伝達は光化学系Iのみに依存する。
チラコイド膜とその構成光化学系の主要な機能の一つは、化学浸透圧の確立である。電子伝達系のキャリアは、電子のエネルギーの一部を利用して、ストロマからルーメンへプロトンを能動的に輸送する。光合成中、ルーメンは酸性になり、ストロマのpH 8に比べてpH 4まで低下する。[ 30 ]これは、チラコイド膜を挟んでプロトンの濃度勾配が10,000倍になることを意味する。
管腔内の陽子は主に3つの供給源から来る。
プロトン勾配は、ストロマ内でプロトンが消費され、NADP還元酵素でNADP+からNADPHが生成されることによっても生じる。
葉緑体におけるATP（アデノシン三リン酸）生成の分子メカニズムはミトコンドリアにおけるものと類似しており、プロトン駆動力（PMF）から必要なエネルギーを取り込む。しかし、葉緑体はATP合成に必要なポテンシャルエネルギーを生成するために、PMFの化学ポテンシャルに大きく依存している。PMFは、プロトン化学ポテンシャル（プロトン濃度勾配によって与えられる）と膜電位（膜を横切る電荷分離によって与えられる）の合計である。電荷分離によって膜電位が著しく高いミトコンドリアの内膜と比較すると、チラコイド膜には電荷勾配が存在しない。これを補うために、チラコイド膜を横切るプロトン濃度勾配は、ミトコンドリアの内膜を横切る10倍の勾配と比較して、10,000倍と非常に大きい。その結果生じるルーメンとストロマ間の化学浸透ポテンシャルは、ATPシンターゼを用いたATP合成を駆動するのに十分な高さである。プロトンがATP合成酵素内のチャネルを通って勾配に沿って逆方向に移動するにつれて、ADPとPiが結合してATPが生成される。このようにして、光依存性反応はプロトン勾配を介してATP合成と共役している。
シアノバクテリアは、高度に分化した膜系を持つ光合成原核生物です。シアノバクテリアは、光合成と呼吸の完全な機能を持つ電子伝達鎖が存在するチラコイド膜の内部システムを持っています。異なる膜系の存在は、これらの細胞に細菌の中でも独特の複雑さを与えています。シアノバクテリアは、膜を再編成し、新しい膜脂質を合成し、タンパク質を適切な膜系に適切に標的化できなければなりません。外膜、形質膜、およびチラコイド膜はそれぞれ、シアノバクテリア内で特殊な役割を担っています。膜系の構造、機能、タンパク質組成、およびダイナミクスを理解することは、シアノバクテリア細胞生物学における大きな課題となっています。[ 31 ]
高等植物のチラコイドネットワークはグラナとストロマのラメラに分化しているのに対し、シアノバクテリアのチラコイドは複数の同心円状の殻に組織化されており、それが分裂して平行な層に融合し、高度に連結したネットワークを形成している。この結果、単一のルーメン（高等植物の葉緑体と同様）を囲む連続的なネットワークが形成され、水溶性および脂溶性分子が膜ネットワーク全体に拡散することができる。さらに、平行なチラコイドシート内にはしばしば穿孔が観察される。膜のこれらの隙間により、リボソーム、グリコーゲン顆粒、脂質体など、さまざまなサイズの粒子が細胞全体に移動することができる。[ 32 ]チラコイド間の比較的大きな距離は、外部の光捕集アンテナであるフィコビリソームのための空間を提供する。[ 33 ]この巨視的構造は、高等植物の場合と同様に、物理化学的環境の変化に対してある程度の柔軟性を示す。[ 34 ]シアノバクテリアのチラコイド膜は、種によって特徴的なさまざまな空間分布を示し、これらの分布はこれまで種間の分類学的関係を推測するために使用されてきましたが、DNAの証拠は、空間分布のタイプが種間の分類学的関係を確実に反映していないことを示唆しています。[ 35 ]