The ultrastructure of the chloroplast lamellae

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.

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.