Feinstruktur eines Chloroplasten

Betrachtet man Zellen grüner Pflanzen, so fallen unter einem Lichtmikroskop linsenförmige Körperchen auf, die z. B. bei Wasserpestarten (Elodea) durch Plasmabewegung in der Zelle transportiert werden. Diese Chloroplasten entstehen wie andere Plastiden aus Proplastiden – einfach aufgebauten „Vorläufern“ dieser Organellen. Bei der Entwicklung unter Lichteinfluss faltet sich die innere der vorhandenen Doppelmembranen ein und bildet so das typische Thylakoidmuster der Chloroplasten. Fertig ausgebildete Chloroplasten können sich aufgrund ihrer eigenen DNA durch Teilung selbstständig vermehren. Eine andere Form der Vervielfältigung ist die Knospung, bei der kleinere Fragmente des Chloroplasten abgeschnürt werden, die dann wiederum zu Proplastiden werden.

Wenn man Chloroplasten mithilfe des Elektronenmikroskops betrachtet, bekommt man Einsichten in die Feinstruktur dieser Zellorganellen.
Chloroplasten sind von einer Doppelmembran umgeben, die sie vom umgebenden Cytoplasma der Zelle abgrenzt. Zwischen den beiden Membranen befindet sich ein schmaler Intermembranraum. Die innere der Membranen ist an einigen Stellen in das Chloroplasteninnere eingestülpt und bildet dadurch die sogenannten Matrixthylakoide. Chloroplasten sind mit einer Grundsubstanz (Stroma) ausgefüllt, die Enzyme, ringförmige DNA, Ribosomen und Assimilationsstärke enthält. Außerdem finden im pigmentlosen Stroma die lichtunabhängigen Reaktionen des CALVIN-Zyklus statt. Dazu sind im Stroma zur Oberflächenvergrößerung weitere Membransysteme angeordnet, die im elektronenmikroskopischen Bild als dunkle Linien sichtbar sind. Dabei schließen immer zwei Membranen einen scheibenförmigen Hohlraum ein, den man als Thylakoid bezeichnet. Geldrollenartige Stapelungen der Thylakoide werden als Grana- („Körner“; Singular Granum), einfache Lamellen im Bereich des Stromas als Stromathylakoide bezeichnet. Zusammen bilden sie ein lamellenartiges System innerhalb des Chloroplasten. Die einzelnen Thylakoide eines Granums stehen mit anderen Grana über Fortsätze im Stroma in Verbindung. Auch dieses Membransystem sind Einstülpungen der inneren Chloroplastenmembran, jedoch wurden sie im Laufe des Wachstums abgetrennt und erscheinen somit losgelöst.

Die molekulare Struktur der Thylakoidmembranen konnte durch Gefrierbruch und Gefrierätzung aufgeklärt werden.
Durch die Gefrierätztechnik können mithilfe des Elektronenmikroskops plastische Bilder hergestellt werden. Dabei wird das Objekt bzw. die Zelle bei -196 °C tiefgefroren. Durch das sehr schnelle Abkühlen (20 °C pro Millisekunde) wird die Bildung von Eiskristallen, welche die Feinstruktur zerstören können, verhindert. Mit einem abgekühlten Messer wird anschließend die Zelle aufgebrochen (Gefrierbruch), sodass sich eine Bruchkante an der Membranoberfläche, beispielsweise an Chloroplasten oder am Zellkern bildet. Danach lässt man das Eis sublimieren, d. h. unmittelbar vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand übergehen, ohne die Stufe des flüssigen Aggregatzustands zu durchlaufen, um die Strukturen sichtbar zu machen (Gefrierätzung). Im Anschluss erfolgt ein Aufdampfen des Objekts mit Platin-Kohledampf. Diese Metallschicht wird dann isoliert, indem die organischen Substanzen mit Säuren aufgelöst werden. Unter dem Elektronenmikroskop werden dann die Oberflächen biologischer Strukturen betrachtet.

Der so erforschte Feinbau der Thylakoidmembran entspricht abgesehen von den Strukturbesonderheiten im Wesentlichen dem der Biomembran. Auf der Lipiddoppelschicht sind Proteine auf- und eingelagert. Die Proteine bilden Komplexe mit Pigmenten (Chlorophylle, Carotinoide), die für den Ablauf der lichtabhängigen Reaktionen verantwortlich sind. Bei den eingelagerten Komplexen handelt es sich um Fotosystem I und II sowie Cytochromkomplexe, als Enzyme sind NADP⁺-Reduktase und ATP-Synthase in der Membran lokalisiert. Des Weiteren sind Moleküle wie Plastochinon und Plastocyanin, die für den Elektronentransport von Bedeutung sind, angelagert.

Zwischen Stroma- und Granathylakoiden gibt es Unterschiede. So enthalten Stromathylakoide vor allem das Fotosystem I und die ATP-Synthase, das Enzym, das für die Bildung von ATP zuständig ist. Im Gegensatz dazu befindet sich an der Innenseite der Granathylakoide nur das Fotosystem II. Die Fotosysteme absorbieren durch den Antennenkomplex Lichtenergie, die die Anregung von Chlorophyllmolekülen in einem Reaktionszentrum bewirkt. Beide Fotosysteme sind durch eine Elektronentransportkette miteinander verbunden.