チラコイド

細胞生物学
葉緑体
典型的な葉緑体の構成要素 1グラナム 2 葉緑体エンベロープ 2.1 外膜 2.2 膜間腔 2.3 内膜 3チラコイド   ◄あなたはここにいる 3.1チラコイド腔（内腔） 3.2 チラコイド膜 4 間質チラコイド 5間 質 6 核様体（DNAリング） 7 リボソーム 8 プラストグロブルス 9 デンプン顆粒

チラコイドは、葉緑体とシアノバクテリアの内部にある膜で囲まれた区画です。光合成の光依存反応が行われる場所です。チラコイドは、チラコイド腔を囲むチラコイド膜で構成されています。葉緑体チラコイドは、グラナ (単数形:グラナム)と呼ばれる円盤の積み重ねを形成することがよくあります。グラナは、グラナムの積み重ねを 1 つの機能区画として結合する、グラナルチラコイドまたはストロマチラコイドによって接続されています。

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袋の中に含まれています。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ます。

チラコイドという語はギリシャ語の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「袋のような」または「ポーチのような」という意味です。

チラコイドは、葉緑体ストロマに埋め込まれた膜結合構造です。チラコイドの積み重ねはグラナムと呼ばれ、積み重ねられたコインに似ています。

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反応の場である。それは、それぞれ1ナノメートルの暗いバンドと明るいバンドが交互に現れるパターンである。^[3]チラコイド脂質二重層は、原核生物の膜や葉緑体内膜と特徴的な特徴を共有している。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る。^[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、また膜を横切って非対称に配列したガラクトリピッドから構成される。 ^[6]チラコイド膜は、リン脂質よりもガラクトリピッドに富み、また主に六角形の第II相を形成するモノガラクトシルジグリセリド脂質からなる。このユニーク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組織を担っていることが示されています。^[7]チラコイド膜を形成する脂質は、高流動性のリノレン酸^{[8]を最も多く含み、}小胞体とプラスチドエンベロープの内膜と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ます。^[9]

チラコイド腔は、チラコイド膜に囲まれた連続した水相です。光合成中の光リン酸化に重要な役割を果たします。光依存反応中、プロトンがチラコイド膜を通過して腔に送り込まれ、pH 4 まで酸性になります。

高等植物では、チラコイドはグラナム-ストローマ膜アセンブリ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。葉緑体は10〜100個のグラナを持つことができます。グラナは、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ストローマチラコイドによって接続されています。グラナチラコイドとストローマチラコイドは、タンパク質組成の違いによって区別できます。グラナは、葉緑体の大きな表面積対体積比に寄与しています。チラコイド膜の最近の電子トモグラフィー研究では、ストローマラメラがグラナスタック軸に垂直な幅広のシートに組織化され、グラナ界面で複数の右巻きらせん表面を形成することが示されました。^[2]左巻きらせん表面は、右巻きらせんとシートの間で統合されます。異なる半径とピッチを持つ交互に並んだらせん状の膜表面の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ました。^[2]この新しいモデルは、これまでに生成された最も広範なモデルであり、一見矛盾する2つの古いモデル^{[10] [11]}の特徴が構造に共存していることを明らかにしました。特に、交互に左右に並んだらせん要素の同様の配置は、「パーキングガレージ」構造とも呼ばれ、小胞体^[12]と超高密度核物質に存在することが提案されています。^{[13] [14] [15]}この構造組織は、密集した層またはシート間の接続の基本的な形状を構成する可能性があります。^[2]

葉緑体は、苗が地面から出てくるとプロプラスチドから発達します。チラコイドの形成には光が必要です。植物の胚では、光がない場合、プロプラスチドは、プロラメラ体と呼ばれる半結晶性の膜構造を含むエチオプラストに発達します。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。これは、暗所で育った苗では起こらず、黄化します。光への露出が不足すると、チラコイドが機能しなくなる可能性があります。これにより、葉緑体が機能しなくなり、植物が死に至ります。

チラコイドの形成には、プラスチド1の小胞誘導タンパク質（VIPP1）の作用が必要である。植物はこのタンパク質なしでは生きられないため、VIPP1レベルが低下すると、成長が遅くなり、光合成能力が低下して植物の色も薄くなる。VIPP1は、基本的なチラコイド膜の形成に必要であるが、チラコイド膜のタンパク質複合体の組み立てには必要ではないと思われる。 ^{[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類、[ ^18]シロイヌナズナなどの高等植物を含む、チラコイドを含むすべての生物に保存されている。^[19]

チラコイドは、分画遠心分離と勾配遠心分離の組み合わせを使用して植物細胞から精製することができます。^[20]機械的せん断などにより単離されたチラコイドを破壊すると、内腔画分が放出されます。残りの膜画分から、周辺膜画分と膜内在性画分を抽出できます。炭酸ナトリウム（Na ₂ CO ₃）で処理すると周辺膜タンパク質が剥離しますが、洗剤や有機溶媒で処理すると膜内在性タンパク質が可溶化します。

チラコイドには、内腔タンパク質だけでなく、多くの膜タンパク質と表層タンパク質が含まれています。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さらなる詳細が明らかになりました。^[21]これらのデータは、オンラインで利用できる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種類のタンパク質から構成されています。このうち、89種類は内腔に、116種類は膜貫通タンパク質、62種類は間質側の周辺タンパク質、68種類は内腔側の周辺タンパク質です。計算手法により、その他の低濃度内腔タンパク質を予測することができます。^{[20] [24]}機能がわかっているチラコイドタンパク質のうち、42%は光合成に関与しています。次に多い機能グループには、タンパク質の標的化、処理、折り畳みに関与するタンパク質が11%、酸化ストレス応答（9%）、翻訳（8%）などがあります。^[22]

チラコイド膜には、集光と光合成の光依存反応に重要な役割を果たす 膜貫通タンパク質が含まれています。チラコイド膜には 4 つの主要なタンパク質複合体があります。

• 光化学系 IとII
• シトクロム b6f 複合体
• ATP合成酵素

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ー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等に分布しています。チラコイド膜システムでは 2 つの光化学系が別々に存在するため、それらの間で電子を運ぶには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 複合体に電子を運び、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 に電子を運びます。

これらのタンパク質は一緒に光エネルギーを利用して電子伝達系を駆動し、チラコイド膜を横切る化学浸透圧と末端酸化還元反応の生成物であるNADPH を生成します。ATP合成酵素は光リン酸化中に化学浸透圧を利用してATP を生成します。

これらの光合成系は光駆動型の酸化還元中心で、それぞれがアンテナ複合体から成り、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タンパク質などの補助的な光合成色素を使用してさまざまな波長の光を捕らえます。各アンテナ複合体には 250 ～ 400 個の色素分子があり、それらが吸収したエネルギーは共鳴エネルギー移動によって各光合成系の反応中心にある特殊なクロロフィルaに運ばれます。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、電子受容体分子に転送されます。光合成系 I には、反応中心にP700と呼ばれるクロロフィルa分子のペアがあり、700 nm の光を最大限に吸収します。光合成系 II には、680 nm の光を最大限に吸収するP680クロロフィルが含まれます (これらの波長は深紅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)。 P は色素の略で、数字は各反応中心の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。これは植物に存在する緑色の色素で、肉眼では見えません。

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、電子伝達とチラコイド腔へのプロトンの送り込みを結び付けます。エネルギー的には、2 つの光合成系の間に位置し、光合成系 II-プラストキノンからプラストシアニン-光合成系 I に電子を伝達します。

チラコイド ATP 合成酵素は、ミトコンドリア ATP 合成酵素に似た CF1FO-ATP 合成酵素です。CF1 部分が間質に突き出た状態でチラコイド膜に組み込まれます。したがって、ATP 合成はチラコイドの間質側で行われ、ATP は光に依存しない光合成 反応に必要となります。

電子伝達タンパク質プラストシアニンはチラコイド腔内に存在し、シトクロム b6f タンパク質複合体から光合成系 I に電子を輸送します。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しますが、プラストシアニンはチラコイド腔を通って移動します。

チラコイドの内腔は、光合成系 II の内腔側に関連する 酸素発生複合体による水の酸化が行われる場所でもあります。

内腔タンパク質は、その標的シグナルに基づいて計算的に予測することができる。シロイヌナズナでは、 Tatシグナルを持つ予測内腔タンパク質のうち、機能がわかっている最大のグループは、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％である。^[20]

葉緑体は独自のゲノムを持ち、多数のチラコイドタンパク質をコードしている。しかし、シアノバクテリアの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広範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、一部は葉緑体ゲノムに、一部は核ゲノムにコードされている。植物は、2つの異なる細胞小器官にコードされている異なるサブユニットの発現を共制御し、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するためのいくつかのメカニズムを開発してきた。たとえば、光合成装置の一部をコードする核遺伝子の転写は、光によって制御されている。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、チラコイド膜の酸化還元感受性キナーゼを介したリン酸化によって制御されている。 ^[25]葉緑体にコードされたタンパク質の翻訳速度は、組み立てパートナーの有無によって制御されます（合成のエピスタシーによる制御）。^[26]このメカニズムには、葉緑体mRNAの5'非翻訳領域への過剰タンパク質の結合による負のフィードバックが含まれます。^[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とる必要もあります。チラコイド膜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及ぼし、電子伝達鎖の不均衡を相殺します。^[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分泌経路を介して目的地に誘導されます。植物の核ゲノムによってコード化されているほとんどのチラコイドタンパク質は、適切な局在のために 2 つの誘導シグナルを必要とします。1 つは N 末端葉緑体誘導ペプチド (図では黄色で表示) で、もう 1 つはチラコイド誘導ペプチド (青色で表示) です。タンパク質は、外膜と内膜 ( Toc と Tic ) 複合体のトランスロコンを介して輸入されます。葉緑体に入った後、最初の誘導ペプチドは輸入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 番目の誘導シグナルが露出し、2 番目の誘導ステップでタンパク質が間質からチラコイドに輸出されます。この 2 番目のステップでは、チラコイドのタンパク質転座成分の作用が必要であり、エネルギーに依存します。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 (図には示されていません) を介して自発的に膜に挿入されます。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) によってチラコイド膜を通過して内腔に輸出され、チラコイド標的シグナルからの切断によって放出されます。異なる経路では、異なるシグナルとエネルギー源が利用されます。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、タンパク質をシャトルするための Sec 膜複合体で構成されます。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 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) 経路を介してシャトルされます。葉緑体SRPは、翻訳後または翻訳時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部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間質側から自発的に膜に挿入されることもあります。^[29]

チラコイドは光合成の光依存反応が行われる場所です。これには、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汲み上げ、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、光による水の還元（分解）で、光合成電子伝達系に必要な電子と、プロトン勾配を確立するためのプロトンを提供します。水分解反応はチラコイド膜の内腔側で起こり、光合成系が捉えた光エネルギーによって駆動されます。この水の酸化により、細胞呼吸に不可欠な廃棄物 O ₂が生成されます。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ます。

光合成中には、2 つの異なる電子伝達のバリエーションが使用されます。

• 非環状電子伝達または非環状光リン酸化により、NADPH + H ⁺と ATP が生成されます。
• 循環的電子伝達または循環的光リン酸化では ATP のみが生成されます。

非環状の種類では両方の光合成系が関与しますが、環状の電子の流れは光合成系 I のみに依存します。

• 光化学系 I は光エネルギーを使用して NADP ⁺を NADPH + H ⁺に還元し、非循環的および循環的電子伝達の両方で活性です。循環モードでは、エネルギーを与えられた電子はチェーンに渡され、最終的にエネルギーを与えたクロロフィルに (基本状態で) 戻されます。
• 光化学系 II は光エネルギーを使用して水分子を酸化し、電子 (e ⁻ )、陽子 (H ⁺ )、および分子状酸素 (O ₂ ) を生成します。このシステムは非循環輸送でのみ機能します。このシステムでは電子は保存されず、酸化された 2H ₂ O (O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ⁻ ) から継続的に出入りし、最終的に NADPH に還元されるときに NADP ⁺とともに出ていきます。

チラコイド膜とその不可欠な光合成系の主な機能は、化学浸透圧ポテンシャルを確立することです。電子伝達系のキャリアは、電子のエネルギーの一部を使用して、プロトンをストロマからルーメンに積極的に輸送します。光合成中、ルーメンは酸性になり、ストロマのpH 8と比較してpH 4まで低下します。^[30]これは、チラコイド膜を横切る プロトンの濃度勾配が10,000倍であることを示しています。

内腔内の陽子は主に 3 つの発生源から発生します。

• 光合成系 II による光分解により、水は内腔内で酸素、陽子、電子に酸化されます。
• 非環状電子伝達中に光化学系 II からプラストキノンに電子を伝達すると、間質から 2 つのプロトンが消費されます。還元されたプラストキノンがチラコイド膜の内腔側にあるシトクロム b6f タンパク質複合体によって酸化されると、これらのプロトンが内腔に放出されます。プラストキノン プールから、電子はシトクロム b6f 複合体を通過します。この膜一体型アセンブリは、シトクロム bc1 に似ています。
• 環状電子伝達中にフェレドキシンによってプラストキノンが還元されると、2 つのプロトンが間質から内腔に移動します。

プロトン勾配は、NADP 還元酵素で NADP+ から NADPH を生成するために間質内のプロトンが消費されることでも発生します。

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、ミトコンドリアのものと似ており、必要なエネルギーをプロトン駆動力(PMF) から得ます。^{[出典が必要]}ただし、葉緑体は、 ATP 合成に必要な位置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ます。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決まる) と膜貫通電位(膜を挟んだ電荷分離によって決まる) の合計です。電荷分離により膜電位が大幅に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ありません。 ^{[出典が必要]}これを補うために、チラコイド膜全体の 10,000 倍のプロトン濃度勾配は、ミトコンドリアの内膜全体の 10 倍の勾配よりもはるかに高くなっています。その結果、内腔と間質の間の化学浸透ポテンシャルは、ATP合成酵素によるATP合成を促進するのに十分な高さになります。プロトンがATP合成酵素のチャネルを通って勾配に沿って戻ると、ADP + P _iがATPに結合されます。このように、光依存反応はプロトン勾配を介してATP合成と連動します。^{[引用が必要]}

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に機能する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。異なる膜システムの存在は、これらの細胞に細菌の中で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システムに適切に標的化できなければなりません。外膜、細胞膜、チラコイド膜は、それぞれシアノバクテリア細胞内で特殊な役割を果たしています。膜システムの組織、機能性、タンパク質構成、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いて依然として大きな課題です。^[31]

高等植物のチラコイドネットワークはグラナ層とストロマ層に分化しているが、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、それらは分裂して平行層に融合し、高度に接続されたネットワークを形成する。その結果、（高等植物の葉緑体のように）単一の内腔を囲む連続的なネットワークが形成され、水溶性分子と脂溶性分子が膜ネットワーク全体を通して拡散できるようになる。さらに、平行なチラコイドシート内には穿孔が見られることが多い。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わたって移動できるようになる。^[32]チラコイド間の距離が比較的大きいため、外部の集光アンテナであるフィコビリソームのためのスペースが確保される。^[33]このマクロ構造は、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]

• アーサー・マイヤー（植物学者）
• アンドレ・ヤーゲンドルフ
• 化学浸透
• 電気化学勾配
• 共生
• 酸素の発生
• 光合成

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