Advertisement

Planta

, Volume 67, Issue 4, pp 305–323 | Cite as

The ultrastructure of the chloroplast lamellae

  • K. Mühlethaler
  • H. Moor
  • J. W. Szarkowski
Article

Summary

The present study has shown that the thylakoid membrane consists of a central layer, probably lipid, covered on both sides with protein particles. The thickness of the middle layer reaches 40 Å, and the diameter of the attached globules 60 Å. The particles are partially embedded to a depth of about 20 Å in the central layer. If these globules are removed, the lipid layer appears perforated, indicating that the protein molecules are in direct contact through the lipid layer. On the outer side of the thylakoid membrane the particles are grouped in fours, forming a multienzyme complex of 120 Å diameter and 60 Å thickness. No such aggregates have been observed on the inner side.

In frozen plastids a tripartite membrane at the periphery of a granum has a thickness of 120 Å, whereas the two membranes of adjacent thylakoids are together only 200 Å thick. This indicates that the particles attached to the two neighbouring membranes are interlocked and form a rigid layer.

In comparison with the freeze-etched preparations the chemically fixed plastids show considerably thinner lamellae. They appear as unit membranes, consisting of a central layer 35 Å thick and two dense strata, each of 20 Å. This discrepancy cannot be explained simply by shrinkage in fixation and dehydration. It is proposed that fixation causes uncoiling of the protein molecules. In consequence, thin protein films are formed on each side of the lipid layer, and each appears as a dark band after osmium- or permanganate fixation. This new model of the thylakoid membrane is compared with other recent schemes.

Keywords

Thylakoid Membrane Central Layer Lipid Layer Multienzyme Complex Thin Lamella 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Zusammenfassung

In der vorliegenden Untersuchung wird gezeigt, daß die Thylakoidmembran aus einer zentralen, wahrscheinlich lipidhaltigen Schicht besteht, die beidseitig mit Proteinpartikeln bedeckt ist. Die Dicke dieser Mittelschicht beträgt 40 Å und der Durchmesser der darauf liegenden Kügelchen 60 Å. Sowohl die innern wie die äußern Partikel sind ungefähr 20 Å tief in der zentralen Schicht eingebettet. Werden sie beim Herstellen des Gefrierabdruckes herausgerissen, so erscheint die Lipoidlamelle perforiert. Das zeigt, daß die Enzyme durch diese Schicht hindurch in direktem Kontakt stehen. Auf der Außenseite der Thylakoidmembran sind vier Partikel zu einem Multi-Enzym-Komplex von 120 Å Durchmesser und 60 Å Dicke vereinigt. Auf der Innenseite konnten solche Zusammenlagerungen nicht beobachtet werden. Die Dicke einer dreischichtigen Membran, wie sie z. B. an der Außenseite eines Granumstapels zu beobachten ist, beträgt 120 Å. Die Doppelmembranen benachbarter Thylakoide (200 Å dick) sind durch die auf der Oberfläche vorhandenen Partikel eng verzahnt.

Ein Vergleich der Bilder von Plastiden nach der Gefrierätzung und nach einer gewöhnlichen Fixierung ergibt, daß die Lamellen durch die Fixierung und Entwässerung dünner werden. Sie zeigen die Struktur einer “Einheitsmembran” bestehend aus einer 35 Å dicken Zentralschicht und den beiden anliegenden 20 Å dicken osmiophilen Lamellen. Die unterschiedliche Lamellendicke (Gefriergetrocknet: 120 Å, fixiert: 75 Å) kann nicht nur auf die bei der Fixierung und Entwässerung eintretende Schrumpfung zurückgeführt werden. Es ist wahrscheinlich, daß die Fixierung eine Entknäuelung der Proteinmoleküle bewirkt. Der dadurch auf beiden Seiten der Lipidschicht gebildete, dünne Protein-film erscheint nach der Osmium-oder Permanganatfixierung als kontrastreiche 20 Å dicke Schicht. Dieses neue Modell der Thylakoidmembran wurde mit einigen neuen Strukturschemata verglichen.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

Literatur

  1. Adam, N. K.: The physics and chemistry of surfaces, p. 87. 3rd ed. Oxford: University Press 1941.Google Scholar
  2. Brawerman, G.: A specific species of ribosomes associated with the chloroplasts of Euglena gracilis. Biochim. biophys. Acta (Amst.) 61, 313–315 (1962).Google Scholar
  3. Brenner, S., and R. W. Horne: A negative staining method for high resolution electron microscopy of virus. Biochim. biophys. Acta (Amst.) 34, 103–110 (1959).Google Scholar
  4. Danielli, J. F., and H. A. Davson: A contribution to the theory of permeability of thin films. J. cell. comp. Physiol. 5, 495–508 (1934).Google Scholar
  5. Doty, P., K. Imahori, and E. Klemperer: The solution properties and configurations of a polyampholytic polypeptide: copoly-L-lysine-L-glutaminic acid. Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.) 44, 424–431 (1958).Google Scholar
  6. Finean, J. B.: Recent ideas on the structure of myelin. In: Biochemical problems of lipids, p. 127–131. London: Butterworths 1956.Google Scholar
  7. Frey-Wyssling, A.: Der Aufbau der Chlorophyllkörner. Protoplasma 29, 279–299 (1937).Google Scholar
  8. —, and K. Mühlethaler: Über den Feinbau der Chlorophyllkörner. Vjschr. naturforsch. Ges. Zürich 94, 179–183 (1949).Google Scholar
  9. ——: Ultrastructural plant cytology. Amsterdam: Elsevier Publ. Co. 1965.Google Scholar
  10. —, u. E. Steinmann: Ergebnisse der Feinbau-Analyse der Chloroplasten. Vjschr. naturforsch. Ges. Zürich 98, 20–29 (1953).Google Scholar
  11. Granick, S., and K. R. Porter: The structure of the spinach chloroplast as interpreted with the electron microscope. Amer. J. Bot. 34, 545–550 (1947).Google Scholar
  12. Green, D. E., and S. Fleischer: The role of lipids in mitochondrial electron transfer and oxidative phosphorylation. Biochim. biophys. Acta (Amst.) 70, 554–582 (1963).Google Scholar
  13. Gunning, B. E. S.: The fine structure of chloroplast stroma following aldehyde osmium-tetroxide fixation. Cell Biol. 24, 79–93 (1965).Google Scholar
  14. Heitz, E.: Untersuchungen über den Bau der Plastiden. Planta (Berl.) 26, 134–163 (1937).Google Scholar
  15. Hodge, A. J., J. D. McLean, and F. V. Mercer: Ultrastructure of the lamellae and grana in the chloroplasts of Zea Mays L. J. biophys. biochem. Cytol. 1, 605–613 (1955).Google Scholar
  16. Kreutz, W., u. W. Menke: Strukturuntersuchungen an Plastiden. III. Z. Naturforsch. 17b, 675–683 (1962).Google Scholar
  17. Ledbetter, M. C.: Observations on membranes in plant cells fixed with osmiumtetroxide. Proc. 5th Intern. Congr. Elect. Microsc. Philadelphia, vol. 2, W-10, New York: Academic Press 1962.Google Scholar
  18. Lyttleton, J. W.: Isolation of ribosomes from spinach chloroplasts. Exp. Cell Res. 26, 312–317 (1962).Google Scholar
  19. Menke, W.: Über die Chloroplasten von Anthroceros punctatus. Z. Naturforsch. 16b, 334–336 (1961).Google Scholar
  20. Meyer, A.: Das Chlorophyllkorn in chemischer, morphologischer und biologischer Bedeutung. Leipzig: Arthur Felix 1883.Google Scholar
  21. Mikulska, E., M. S. Odintsova, and N. M. Sissakian: On the isolation of ribosomes from chloroplasts. Naturwissenschaften 49, 549 (1962).Google Scholar
  22. Moor, H.: Platin-Kohle-Abdruck-Technik angewandt auf den Feinbau der Milchröhren. J. Ultrastruct. Res. 2, 393–422 (1959).Google Scholar
  23. —: Die Gefrier-Fixation lebender Zellen und ihre Anwendung in der Elektronenmikroskopie. Z. Zellforsch. 62, 546–580 (1964).Google Scholar
  24. Moor, H., K. Mühlethaler, H. Waldner, and A. Frey-Wyssling: A new freezing ultramicrotome. J. biophys. biochem. Cytol. 10, 1–13 (1961).Google Scholar
  25. Mühlethaler, K.: Die Struktur der Grana- und Stromalamellen in Chloroplasten. Z. wiss. Mikr. 64, 444–452 (1960).Google Scholar
  26. —, u. A. Frey-Wyssling: Entwicklung und Struktur der Proplastiden. J. biophys. biochem. Cytol. 6, 507–512 (1959).Google Scholar
  27. Murakami, S.: Ribosomes in spinach chloroplasts. Exp. Cell Res. 32, 398–400 (1963).Google Scholar
  28. Park, R. B.: Advances in photosynthesis. J. chem. Educ. 39, 424–429 (1962).Google Scholar
  29. —, and J. Biggins: Quantasome: size and composition. Science 144, 1009–1011 (1964).Google Scholar
  30. —, and N. G. Pon: Correlation of structure with function in Spinacea oleracea chloroplasts. J. molec. Biol. 3, 1–10 (1961).Google Scholar
  31. ——: Chemical composition and the substructure of lamellae isolated from Spinacea oleracea chloroplasts. J. molec. Biol. 6, 105–114 (1963).Google Scholar
  32. Reynolds, E. S.: The use of lead citrate at high pH as an electron-opaque stain in electron microscopy. J. Cell Biol. 17, 208–212 (1963).CrossRefPubMedGoogle Scholar
  33. Robertson, J. D.: The ultrastructure of cell membranes and their derivatives. Biochem. Soc. Symp. 16, 3–43 (1959).Google Scholar
  34. Sabatini, D. D., K. Bensch, and R. J. Barrnett: Cytochemistry and electron microscopy. The preservation of cellular ultrastructure and enzymatic activity by aldehyde fixation. J. Cell Biol. 17, 19–58 (1963).CrossRefPubMedGoogle Scholar
  35. Scheraga, H. A.: Protein structure. New York and London: Academic Press 1961.Google Scholar
  36. Schimper, A. F. W.: Untersuchungen über die Chlorophyllkörper und die ihnen homologen Gebilde. Jb. wiss. Bot. 16, 1–247 (1885).Google Scholar
  37. Smith, E. L., and E. G. Pickels: The effect of detergents on the chlorophyll-protein compound of spinach as studied in the ultracentrifuge. J. gen. Physiol. 24, 753–764 (1941).Google Scholar
  38. Steinmann, E.: Contribution to the structure of granular structure of chloroplasts. Experientia (Basel) 8, 300–301 (1952).Google Scholar
  39. —, and F. S. Sjöstrand: The ultrastructure of chloroplasts. Exp. Cell Res. 8, 15–23 (1955).Google Scholar
  40. Thomas, J. B., O. H. Blaauw, and L. N. M. Duysens: On the relation between size and photochemical activity of fragments of spinach grana. Biochim. biophys. Acta (Amst.) 10, 230–240 (1953).Google Scholar
  41. Wehrmeyer, W.: Über Membranbildungsprozesse im Chloroplasten. Planta (Berl.) 63, 13–20 (1964).Google Scholar
  42. Wettstein, D. V.: Developmental changes in chloroplasts and their genetic control. Developmental cytology, p. 123–160 (D. Rudnick, ed.). New York: Ronald Press 1959.Google Scholar
  43. Yamamoto, T.: On the thickness of the unit membrane. J. Cell Biol. 17, 413–422 (1963).Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 1965

Authors and Affiliations

  • K. Mühlethaler
    • 1
  • H. Moor
    • 1
  • J. W. Szarkowski
    • 1
  1. 1.Laboratorium für ElektronenmikroskopieEidg. Techn. Hochschule ZürichZürichSwitzerland

Personalised recommendations