On the lateral organisation of the thylakoid membrane

Abstract

In this work the lateral heterogeneity of the thylakoid membrane was investigated by quantifying the amount of photosystem I (PSI), photosystem II (PSII) and some PSII complexes and PSII proteins in different domains of the thylakoid.



Grana, grana core, grana margins and stroma lamellae + end fractions were obtained by sonication and separation in a non-detergent, aqueous polymer two-phase system. Y-100 was obtained by Yeda press and centrifugation.



EPR spectroscopy was used to quantify PSI (P700+) and PSII (YD·) in the different fractions. These measurements showed a successively increasing amount of PSI from grana core, grana, grana margins and stroma lamellae + end membranes to Y-100. On the contrary the amount of PSII is decreased successively from grana core to Y-100. The ratio PSI/PSII increases from 0,25 in grana core to 13 in Y-100. For the entire thylakoid the PSI/PSII ratio is 1,13.



Gel electrophoresis was performed to trace five PSII complexes (supercomplexes, dimers, monomers with CP43 and monomers without CP43, and core reaction centres) in the different fractions of the thylakoid. These were then quantified by western blotting. The supercomplexes are most common in grana core and the fragments of the complexes are most common in Y-100, in a gradient through the fractions. This gives strong support to the notion of a lateral transport of PSII centres from grana core to Y-100 and back again, in a repair process.



Thirteen PSII proteins were also analysed and quantified in the different fractions. PsbS, PsbW, PsbZ were overrepresented in grana or grana core and absent or nearly absent in Y-100. It agrees with their assumed function of preserving and stabilising the fully developed PSII complexes in grana core.



Using counter-current distribution, a diagram was obtained showing heterogeneity within all the sub-fractions according to their surface properties.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Allt liv på jorden bygger på fotosyntesen. Det är den process där växterna fångar upp solljuset och gör om det till kemisk energi. Med den energin producerar de syret i luften och kolhydrater för sin egen tillväxt, med kol från luftens koldioxid. Djuren äter kolhydraterna och förbränner dem med hjälp av luftens syre, samtidigt som de andas ut koldioxid. På detta sätt lever djur och växter i ett kretslopp.



Solljuset fångas upp av det gröna klorofyllet i växternas blad, och omvandlingen av ljusenergi till kemisk energi liksom produktionen av syre sker i membran i bladen som kallas tylakoider.



I den här avhandlingen undersöks tylakoider från spenatblad för att ta reda på hur tylakoidens olika delar är sammansatta.



Tylakoidmembranet packar ihop sig till staplar som kallas grana. Mellan dessa granastaplar finns enkla membranpartier som kallas stroma lamellae och som binder ihop granastaplarna till ett sammanhängande nätverk. Granastaplarna i sin tur består av olika delar: en kärna omgiven av ett hölje, kallat margins, och en membranskiva i toppen och botten av stapeln (granaändarna).



För att få fram de olika delarna av tylakoiden var för sig slogs tylakoid-membranet sönder på mekanisk väg med ultraljud, varefter partiklarna från de olika delarna skildes åt i en vattenlösning med två olika ämnen (PEG och dextran) som kan bilda två faser vilka drar till sig partiklar med inbördes olika egenskaper.



På det viset fick vi fram ett preparat av granapartiklar och ett preparat som innehöll stroma lamellae-partiklar + granaändar. Granapreparatet kunde genom ytterligare sönderdelning skiljas åt i ett preparat med granakärnor och ett annat med granahöljen (margins). Dessutom kunde vi efter att ha pressat sönder tylakoiderna och separerat med centrifugering få fram ytterligare ett preparat, Y-100, som kommer antingen från stroma lamellae eller granaändarna.



Det som åstadkommer förvandlingen av ljus till kemisk energi i tylakoiden är två olika fotosystem, kallade PSI och PSII, där PSII använder sin uppfångade solenergi för att frigöra elektroner från vatten (varvid syret frigörs) och sända dem till PSI, som fångar upp ytterligare solenergi för att kunna skicka elektronerna vidare.



Det finns mest PSII i granakärnan och mest PSI i stroma lamellae och granaändarna, och allra mest i Y-100. Genom att med s.k. elektroparamagnetisk resonans (EPR) mäta signalerna från en laddad partikel i PSI och från en annan laddad partikel i PSII kan man se exakt hur mycket som finns av PSI och av PSII i de olika delarna av tylakoiden. Det visade sig att det finns 13 gånger mer PSI än PSII i Y-100 och 4 gånger mer PSII än PSI i granakärnan. I hela tylakoiden totalt finns det lite mer PSI än PSII (1,13 PSI per PSII).



Proteinerna är byggstenarna i tylakoiden. De är hopfogade i större komplex. Det är först i de större, utbyggda komplexen som den fotosyntetiska processen fungerar effektivt. Genom att låta preparat ifrån de olika delarna av tylakoiden vandra genom en gel som bromsar de stora komplexen mer än de mindre komplexen och de enskilda proteinerna, kan man se vilka olika komplex och enskilda proteiner som finns i de olika delarna av tylakoiden.



Det visade sig att granakärnan innehöll mest av de stora komplexen och att det i granahöljet och stroma lamellae + granaändarna fanns mer av de mindre komplexen. I Y-100 fanns det mycket av de allra mista komplexen. Däremot var det vissa enskilda PSII-proteiner som inte eller nästan inte alls fanns i Y-100 men var överrepresenterade i granakärnan.



Resultaten i denna avhandling ger stöd åt två olika modeller, en för elektronvandringen i tylakoiden och en för hur PSII-komplexen repareras. Den första modellen säger att hela elektronflödet från PSII till PSI äger rum i granadelen, inte i stroma lamellae. Våra EPR-mätningar som bl.a. visar att det finns ungefär lika stor mängd PSI som PSII i grana stöder den här modellen.



Den andra modellen säger att de stora, effektivt fungerande PSII-komplexen som finns i granakärnan ganska snabbt blir utbrända och måste plockas sönder och repareras. Det sker genom att de förs ut via granahöljet och stroma lamellae till Y-100 där reparationen påbörjas, varefter de allt mer färdig-byggda komplexen transporteras tillbaka till granakärnan.



Den fördelning vi fick fram, med de större komplexen dominerande i granakärnan och allt mindre och enklare komplex i de övriga delarna, överrensstämmer med denna modell. Dessutom är de enskilda proteiner, som inte fanns i Y-100 men var överrepresenterade i granakärnan, just sådana som antas hjälpa till att skydda eller att hålla samman de största PSII-komplexen, vilket också är ett stöd för den här reparationsmodellen.



Genom en speciell effektiv separationsmetod tog vi slutligen fram ett diagram som visar att det inte bara finns skillnader mellan de olika delarna av tylakoiden utan också inom var och en av dem.

• author: Danielsson, Ravi
• supervisor: Fikret Mamedov
• opponent: Prof. Schröder, Wolfgang, Kemiska institutionen, Umeå Universitet
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Thylakoid membrane heterogeneity, Plant biochemistry, Växtbiokemi, Thylakoid structure, Phase partition, Thylakoid fractions
• defense location: Hörsal A, Kemicentrum, Sölvegatan 39, Lund
• defense date: 2005-05-27 10:15:00
• ISBN: 91-7422-079-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 55a9c4c8-56f7-4e4d-b9f9-2efd65a742aa (old id 544892)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:32:51
• date last changed: 2018-11-21 21:05:35