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チラコイド

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グラナから転送てんそう
チラコイド(みどり)は、みどりたいなかにある。

チラコイド(Thylakoid)は、みどりたいシアノバクテリアなかまく結合けつごうした区画くかくである。光合成こうごうせい光化学こうかがく反応はんのうこる場所ばしょである。チラコイドという言葉ことばは、「」をあらわギリシャθύλακοςthylakos)に由来ゆらいする。チラコイドは、ルーメンまわりをくチラコイドまくから構成こうせいされる。緑色みどりいろ植物しょくぶつみどりたいのチラコイドは円盤えんばんじょうで、かさなってグラナばれる構造こうぞうをなしている。グラナはストロマとつながり、単一たんいつ機能きのう構造こうぞうつくっている。

チラコイドの構造こうぞう[編集へんしゅう]

チラコイドの構造こうぞう
グラナの透過とうかがた電子でんし顕微鏡けんびきょう写真しゃしん

チラコイドはまく結合けつごうした構造こうぞうで、みどりたいのストロマにまれている。

まく[編集へんしゅう]

チラコイドまくは、直接ちょくせつまれた光合成こうごうせい色素しきそうち光化学こうかがく反応はんのうこる場所ばしょである。1nmはばくらいバンドとあかるいバンドが交互こうごかさなった模様もようとしてえる[1]。チラコイドの脂質ししつ重層じゅうそうは、原核げんかく生物せいぶつまくみどり体内たいないまくおな性質せいしつっている。たとえば、チラコイドまくやシアノバクテリア、その光合成こうごうせい細菌さいきんまくでは酸性さんせい脂質ししつられ、光合成こうごうせい機能きのうてき統合とうごうかかわっている[2]高等こうとう植物しょくぶつのチラコイドまくは、おもリン脂質ししつ[3]ガラクト脂質ししつ非対称ひたいしょう配列はいれつして構成こうせいされている[4]。チラコイドまく脂質ししつは、しょう胞体色素しきそたいつつみまくうちまく脂質ししつ前駆ぜんくたい交換こうかんする複雑ふくざつ経路けいろ合成ごうせいされ、うちまくからしょうとおってチラコイドに輸送ゆそうされる[5]

ルーメン[編集へんしゅう]

チラコイドルーメンは、チラコイドまく結合けつごうした区画くかくである。光合成こうごうせい過程かていでのひかりリン酸化さんか不可欠ふかけつ役割やくわりたす。光化学こうかがく反応はんのうさいには、チラコイドまく通過つうかしてルーメンないプロトン輸送ゆそうされ、pH4まで酸性さんせいされる。

グラナ[編集へんしゅう]

グラナは、チラコイドの円盤えんばんかさなった構造こうぞうである。みどりたいは1つたり10から100のグラナをつ。グラナは、ラメラばれる細長ほそながびたチラコイドによってむすばれている。グラナを構成こうせいするチラコイドとストロマないのチラコイドは、タンパク質たんぱくしつ組成そせいによって区別くべつできる。グラナは、みどりたい体積たいせきたいしておおきい表面積ひょうめんせきつのに貢献こうけんしている。またチラコイドの電子でんし断層だんそう撮影さつえい解釈かいしゃくによって、グラナの構造こうぞうについて2つのモデルがつくられている。どちらも、ラメラはグラナの円盤えんばんかさなりと平行へいこう交差こうさすると仮定かていしているが、グラナのかさなりのじく垂直すいちょく交差こうさしているか、それともみぎきのらせんをえがいているかについて、論争ろんそうがある[6]

チラコイドの形成けいせい[編集へんしゅう]

みどりたいは、植物しょくぶつ地面じめんから発芽はつがするさい色素しきそたいから発展はってんしてできる。チラコイドの形成けいせいにはひかり必要ひつようである。はい段階だんかいひかりたらないと、色素しきそたいは、プロラメラたいばれるはん結晶けっしょうまく構造こうぞうエチオプラストになる。ひかり曝露ばくろされると、プロラメラたいはチラコイドになる。ひかりりょう不十分ふじゅうぶんだとチラコイドの形成けいせい失敗しっぱいし、みどりたいができずに植物しょくぶつんでしまう。

チラコイドの形成けいせいには、vesicle-inducing protein in plastids 1 (VIPP1)とばれるタンパク質たんぱくしつはたらきが必要ひつようである。このタンパク質たんぱくしつくと植物しょくぶつきることができず、VIPP1の発現はつげんりょうらすと光合成こうごうせい能力のうりょくち、成長せいちょうおそく、いろうすくなる。VIPP1はチラコイドまく形成けいせい必要ひつようだとかんがえられているが、チラコイドまくじょうタンパク質たんぱくしつふく合体がったいにはふくまれていない[7]。このタンパク質たんぱくしつは、シアノバクテリア[8]クラミドモナスのような緑藻りょくそう[9]シロイヌナズナのような高等こうとう植物しょくぶつ[10]ふくむチラコイドをすべての生物せいぶつ保存ほぞんされている。

チラコイドのたんはなれぶん[編集へんしゅう]

チラコイドは、重力じゅうりょく遠心えんしんほうぶん遠心えんしんほうわせることによって[11]植物しょくぶつ細胞さいぼうからたんはなされる。機械きかいせんだんりょくはたらくと、ルーメンぶん流出りゅうしゅつしてしまい、チラコイドのたんはなれ上手うまくいかない。おもてざいせいまく内在ないざいせいまくは、まくぶんざん渣から抽出ちゅうしゅつされる。炭酸たんさんナトリウムによる処理しょりによりおもてざいせいまくタンパク質たんぱくしつ分離ぶんりし、界面かいめん活性かっせいざい有機ゆうき溶媒ようばいによる処理しょりにより内在ないざいせいまくタンパク質たんぱくしつ溶化することができる。

チラコイドタンパクしつ[編集へんしゅう]

チラコイドは、うちタンパク質たんぱくしつほかに、おおくのおもてざいせいおよ内在ないざいせいまくタンパク質たんぱくしつつ。チラコイドぶんプロテオーム解析かいせき研究けんきゅうにより、チラコイドのタンパク質たんぱくしつ組成そせいがより詳細しょうさい理解りかいされた[12]。これらのデータは、いくつかのオンラインのタンパク質たんぱくしつデータベースで入手にゅうしゅすることができる[13][14]

これらの研究けんきゅうによると、チラコイドのタンパク質たんぱくしつすくなくとも335種類しゅるいから構成こうせいされる。そのうち、89種類しゅるいうち腔性、116種類しゅるい内在ないざいせい、62種類しゅるいはストロマがわおもてざいせい、68種類しゅるいはルーメンがわおもてざいせいである。さらに、コンピュータをもちいた方法ほうほうにより、存在そんざいりょうすくないうち腔性のタンパク質たんぱくしつ予測よそくされた[11][15]機能きのうべつると、42%が光合成こうごうせいかかわるもの、11%がフォールディングさいタンパク質たんぱくしつ標的ひょうてきかかわるもの、9%が酸化さんかストレスへの応答おうとうかかわるもの、8%が翻訳ほんやくかかわるものであった[13]

内在ないざいせいタンパク質たんぱくしつ[編集へんしゅう]

チラコイドまくには、光合成こうごうせいさいひかり受容じゅよう光化学こうかがく反応はんのうにおいて重要じゅうよう役割やくわりたす内在ないざいせいタンパク質たんぱくしつ存在そんざいする。主要しゅようタンパク質たんぱくしつふく合体がったいには、つぎの4つがある。

光化学こうかがくけいIIタンパク質たんぱくしつふく合体がったいは、おもにグラナのチラコイドに、光化学こうかがくけいIタンパク質たんぱくしつふく合体がったいおもにストロマのチラコイドやグラナの外層がいそう存在そんざいする。シトクロムb6fふく合体がったいはチラコイドまく平均へいきんてきひろがっている。チラコイドまくじょうで2つの光化学こうかがくけい存在そんざいする位置いちはなれているため、電子でんし運搬うんぱん必要ひつようである。このためには、プラストキノンプラストシアニン稼働かどうがた電子でんし運搬うんぱんたいとなって電子でんしはこぶ。プラストキノンは光化学こうかがくけいIIタンパク質たんぱくしつふく合体がったいからシトクロムb6fふく合体がったいまで、プラストシアニンはシトクロムb6fふく合体がったいから光化学こうかがくけいIタンパク質たんぱくしつふく合体がったいまで電子でんし運搬うんぱんする。

またこれらのタンパク質たんぱくしつは、ひかりエネルギーによって電子でんし伝達でんたつけいうごかしてチラコイドまくはさんで電気でんき化学かがくてき勾配こうばいつくし、酸化さんか還元かんげん反応はんのう最終さいしゅう産物さんぶつであるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリンさん(NADPH)をつくす。ATP合成ごうせい酵素こうそ電気でんき化学かがくてき勾配こうばいもちいて、ひかりリン酸化さんかによりアデノシンさんリンさん(ATP)をつくす。

光化学こうかがくけい[編集へんしゅう]

これらの光化学こうかがくけいは、ひかり稼働かどうする酸化さんか還元かんげん中心ちゅうしんで、それぞれがみどりからだおよカロテノイドフィコビリンタンパクしつひとしのその光合成こうごうせい色素しきそもちいて様々さまざま周波数しゅうはすうひかり受容じゅようするアンテナふく合体がったいから構成こうせいされている。アンテナふく合体がったいはそれぞれ250から400色素しきそ分子ぶんしち、これらが吸収きゅうしゅうするエネルギーはそれぞれの光化学こうかがくけい中心ちゅうしん特殊とくしゅクロロフィルa共鳴きょうめい輸送ゆそうされる。反応はんのう中心ちゅうしんの2つのクロロフィルa分子ぶんしのどちらかがひかり吸収きゅうしゅうすると、電子でんし励起れいきして電子でんし受容じゅよう分子ぶんし転移てんいする。光化学こうかがくけいIは、700nmまでの波長はちょうひかり吸収きゅうしゅうするP700とばれる1ついのクロロフィルaをつ。光化学こうかがくけいIIは、680nmの波長はちょうひかりもっと吸収きゅうしゅうするP680とばれるクロロフィルをつ(これらの波長はちょうは、深紅しんくしょくである)。Pは色素しきそ(pigment)という言葉ことばちぢめたものであり、数字すうじはそれぞれの反応はんのう中心ちゅうしんのクロロフィル分子ぶんし吸収きゅうしゅうする波長はちょうのピークをnm単位たんいあらわしたである。

シトクロムb6fふく合体がったい[編集へんしゅう]

シトクロムb6fふく合体がったいは、チラコイドの電子でんし伝達でんたつけい一部いちぶであり、1ついのプロトンがルーメンのなかまれる。エネルギーてきには2つの光化学こうかがくけいあいだ位置いちづけられ、光化学こうかがくけいII-プラストキノンから光化学こうかがくけいI-プラストシアニンに電子でんし転移てんいする。

ATP合成ごうせい酵素こうそ[編集へんしゅう]

チラコイドのATP合成ごうせい酵素こうそは、ミトコンドリアATPアーゼ類似るいじしたF1F0-ATP合成ごうせい酵素こうそである。ストロマにたチラコイドまくのCF-1部位ぶいまれている。そのため、ATP合成ごうせい光合成こうごうせいくら反応はんのうがおこるチラコイドのストロマがわおこなわれる。

うち腔性タンパク質たんぱくしつ[編集へんしゅう]

電子でんし伝達でんたつタンパク質たんぱくしつのプラストシアニンはルーメンない存在そんざいし、シトクロムb6fふく合体がったいから光化学こうかがくけいIに電子でんし輸送ゆそうする。プラストキノンはあぶら溶性ようせいでチラコイドまくない移動いどうするのにたいし、プラストシアニンはチラコイドルーメンない移動いどうする。

ルーメンには、光化学こうかがくけいIIのルーメンがわとともにみず酸化さんかする酸素さんそ発生はっせいふく合体がったい存在そんざいする。

うち腔性タンパク質たんぱくしつは、ターゲットシグナルにもとづき、コンピュータで予測よそくすることができる。シロイヌナズナでは、Tatシグナルを処理しょりするもっとおおきいグループでは、19%がタンパク質たんぱくしつプロセシング(タンパク質たんぱくしつ分解ぶんかいやフォールディング)に、18%が光合成こうごうせいに、11%が代謝たいしゃに、7%が酸化さんか還元かんげん運搬うんぱん防御ぼうぎょ関与かんよするものだった[11]

チラコイドタンパクしつ発現はつげん[編集へんしゅう]

みどりたいは、多数たすうのチラコイドタンパクしつをコードする独自どくじゲノムつ。しかし、シアノバクテリアからの色素しきそたい進化しんか過程かていで、みどりたいゲノムから細胞さいぼうかくへの広範こうはん遺伝子いでんし転移てんいしょうじた。これにより、チラコイドの4つの主要しゅようタンパク質たんぱくしつふく合体がったいが、部分ぶぶんごとにみどりたい細胞さいぼうかく両方りょうほうでコードされることになった。植物しょくぶつは、化学かがくりょうろんてき適切てきせつりょう発現はつげんし、タンパク質たんぱくしつふく合体がったいてるため、2つの別々べつべつ器官きかんにコードされることなるサブユニットの発現はつげん共同きょうどう制御せいぎょする様々さまざま機構きこう発展はってんさせてきた。たとえば、光合成こうごうせい装置そうち一部いちぶをコードする細胞さいぼうかくゲノムの転写てんしゃは、ひかりによって制御せいぎょされる。チラコイドタンパクしつふく合体がったい合成ごうせい維持いじ分解ぶんかいは、チラコイドまくのRedox感受性かんじゅせいキナーゼによるリン酸化さんかによって制御せいぎょされる[16]みどりたいにコードされるタンパク質たんぱくしつ転写てんしゃ速度そくどは、エピスタシスによって制御せいぎょされる[17]。この機構きこうなかには、過剰かじょうタンパク質たんぱくしつみどりたいmRNAの5'転写てんしゃ領域りょういき結合けつごうすることによるネガティブフィードバックふくまれる[18]みどりたいには、光化学こうかがくけいIと光化学こうかがくけいIIのバランスも重要じゅうようである。チラコイドまく電子でんし運搬うんぱんするプラストキノンの酸化さんか還元かんげん状態じょうたいは、光化学こうかがくけい反応はんのう中心ちゅうしんタンパク質たんぱくしつをコードするみどりたい遺伝子いでんし転写てんしゃ直接ちょくせつ影響えいきょうし、電子でんし伝達でんたつけいのバランスを調節ちょうせつする[19]

チラコイドの機能きのう[編集へんしゅう]

チラコイドまくにおける光化学こうかがくけい反応はんのう

チラコイドは光合成こうごうせい光化学こうかがく反応はんのうおこなわれる場所ばしょである。これには、ひかりによるみず酸化さんか酸素さんそ生成せいせい、プロトンと電子でんし勾配こうばい形成けいせいとうふくまれる。

みずひかり分解ぶんかい[編集へんしゅう]

光合成こうごうせいだいいち段階だんかいでは、ひかりによりみず酸化さんかし、電子でんし伝達でんたつけい電子でんし供給きょうきゅうするとともにプロトン勾配こうばい形成けいせいする。みずひらききれ反応はんのうはチラコイドまくのルーメンがわおこなわれ、光化学こうかがくけいによって捕獲ほかくされたひかりのエネルギーがもちいられる。このみず酸化さんか反応はんのうによって、細胞さいぼう呼吸こきゅう不可欠ふかけつ酸素さんそ廃棄はいきぶつとして生成せいせいされる。生成せいせいされた酸素さんそ分子ぶんしは、大気たいきちゅう放出ほうしゅつされる。

電子でんし伝達でんたつけい[編集へんしゅう]

光合成こうごうせいでは、以下いかの2種類しゅるい方法ほうほう電子でんし伝達でんたつおこなわれる。

  • 循環じゅんかんてき電子でんし伝達でんたつまたは循環じゅんかんてきひかりリン酸化さんか反応はんのうには、両方りょうほう光化学こうかがくけい関与かんよし、NADPH + H+とATPを生成せいせいする。
  • 循環じゅんかんてき電子でんし伝達でんたつまたは循環じゅんかんてきひかりリン酸化さんか反応はんのうには、光化学こうかがくけいIのみが関与かんよし、ATPのみを生成せいせいする。
  • 光化学こうかがくけいIは、ひかりエネルギーをもちいてNADP+をNADPH + H+に還元かんげんする。循環じゅんかんてき電子でんし伝達でんたつにも循環じゅんかんてき電子でんし伝達でんたつにも関与かんよする。循環じゅんかんてき電子でんし伝達でんたつでは、励起れいき電子でんし電子でんし伝達でんたつけいつたわり、みどりたいもどる。
  • 光化学こうかがくけいIIは、ひかりエネルギーをもちいて水分すいぶん酸化さんかし、電子でんし、プロトン、酸素さんそ分子ぶんし生成せいせいする。循環じゅんかんてき電子でんし伝達でんたつのみに関与かんよする。このけいでは電子でんし保存ほぞんされず、水分すいぶん酸化さんかにより継続けいぞくてき供給きょうきゅうされ、NADP+のNADPHへの還元かんげん消費しょうひされる。

化学かがく浸透しんとう[編集へんしゅう]

チラコイドまく光化学こうかがくけい主要しゅよう役割やくわりは、化学かがく浸透しんとうあつ形成けいせいすることである。電子でんし伝達でんたつけいでの輸送ゆそうは、電子でんしのエネルギーをもちいてストロマからラメラにプロトンを能動のうどう輸送ゆそうする。光合成こうごうせいさいには、ルーメンはpH4程度ていど酸性さんせい、ストロマはpH8程度ていど塩基えんきせいである。これは、チラコイドまくはさんでプロトンの濃度のうどやく1まんばいちがうことを意味いみしている。

プロトン勾配こうばい原因げんいん[編集へんしゅう]

ルーメンのプロトンの供給きょうきゅうげんには、おも以下いかの3つがある。

  • ルーメンないでの光化学こうかがくけいIIふく合体がったいによる、みず酸素さんそ電子でんし、プロトンへのひかり分解ぶんかい
  • 循環じゅんかんてき電子でんし伝達でんたつさい光化学こうかがくけいIIからプラストキノンへの電子でんし輸送ゆそうにより、ストロマのプロトンが2つ消費しょうひされる。これは、ルーメンない還元かんげんされたプラストキノンがシトクロムb6fふく合体がったいによって酸化さんかされるさい解放かいほうされる。
  • 循環じゅんかんてき電子でんし伝達でんたつさいフェレドキシンによるプラストキノンの還元かんげんによっても、ストロマからルーメンに2つのプロトンが輸送ゆそうされる。

ストロマないNADPレダクターゼによりNADP+からNADPHを生成せいせいするさいにもプロトン勾配こうばい発生はっせいする。

ATP生成せいせい[編集へんしゅう]

みどり体内たいないでのATP生成せいせい分子ぶんし機構きこうは、ミトコンドリアないでの機構きこう類似るいじしており、プロトン駆動くどうりょくもちいられる。しかし、みどりたいではATP合成ごうせい必要ひつようなポテンシャルエネルギーをプロトン駆動くどうりょく化学かがくポテンシャルによりおおきく依存いぞんしている。プロトン駆動くどうりょくはプロトン勾配こうばいによるプロトンの化学かがくポテンシャルとまくはさんだ電位でんい総和そうわである。電荷でんか分離ぶんりによるまく電位でんいがかなりおおきいミトコンドリアないまくくらべ、チラコイドまくでは電位でんい勾配こうばいはほとんどない。これをわせるために、ミトコンドリアないまくのプロトン勾配こうばいが10ばい程度ていどであるのにたいして、チラコイドまくのプロトン勾配こうばいは1まんばいにもたっする。結果けっかとしてのルーメンとストロマのあいだ電気でんき化学かがくてき勾配こうばいは、ATPシンターゼもちいたATP合成ごうせい十分じゅうぶんなものとなっている。プロトンがATPシンターゼのチャネルをとおって勾配こうばい沿ってもともどると、ADP + Piが結合けつごうしてATPが生成せいせいする。このような機構きこう光化学こうかがく反応はんのうはプロトン勾配こうばいつうじ、ATP合成ごうせい協調きょうちょうしている。

シアノバクテリアのチラコイドまく[編集へんしゅう]

シアノバクテリア(Synechocystis)にふくまれるチラコイド(みどり

シアノバクテリアは、高度こうど分化ぶんかしたまくけい光合成こうごうせい原核げんかく生物せいぶつである。シアノバクテリアは内部ないぶにチラコイドまくち、そこでは光合成こうごうせい呼吸こきゅう電子でんし伝達でんたつおこなわれる。べつまくけい存在そんざいもあり、シアノバクテリアは細菌さいきんなかでも独特どくとく細胞さいぼうとなっている。シアノバクテリアは、まくさい構成こうせいあたらしいまく脂質ししつ合成ごうせいただしいまくへのタンパク質たんぱくしつのターゲッティングが可能かのうなはずである。細菌さいきんがいまくはら形質けいしつまく、チラコイドまくは、シアノバクテリア細胞さいぼうなかでそれぞれが特殊とくしゅ役割やくわりたす。まくけい組織そしき機能きのうタンパク質たんぱくしつ構成こうせいとう調しらべることは、シアノバクテリア細胞さいぼう生物せいぶつがくおおきな課題かだいとしてのこっている[20]

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]

出典しゅってん[編集へんしゅう]

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参照さんしょうテキスト[編集へんしゅう]