Fotosentez

Canlıların enerji elde etmek için izledikleri diğer bir yol ise fotosentezdir.Fotosentezin kimyası oldukça karışıktır.Fotosentezin ATP üretme sisteminin temeli, ışık enerjisinin klorofil molekülleri tarafından absorbe edilerek enerji isteyen kimyasal reaksiyonlarda kullanılması şeklindedir.Yani ışık enerjisi kimyasal enerjiye dönüşmektedir.

Fotosentez denklemlerini " Işık tepkimesi " ve " Karanlık tepkimesi " olmak üzere en sade haliyle aşağıdaki şekildeki gibi özetleyebiliriz.

Aydınlık devrede, klorofil tarafında absorbe edilen ışık enerjisi, ATP üretiminde kullanılır.ATP üretimi için gerekli H (+) iyonları ise su moleküllerinden karşılanır.Suyun özel enzimlerle parçalanmasıyla açığa çıkan oksijen gazı serbest kalırken H (+) iyonları ise NADPH ve ATP üretimi için reaksiyonlara katılır.

Karanlık devre, aydınlık devrede üretilen NADPH ve ATP moleküllerinin enerji gereksinimi için kullanıldığı devredir.Bu devrede ışık enerjisi rol oynamadığı için bu devreye karanlık devre denir.Yani karanlık devrede yanlızca kimyasal enerji iş görmektedir.ATP ve NADPH ların kullanımıyla elde edilen enerji, karbonhidrat ve glikoz sentezi için kullanılır (Glikozun kapalı formülü C6H12O6 dır).

Fotosentez reaksiyonları " Kloroplast " adı verilen yeşil renkli pigmentler içerisinde gerçekleşir.Bu pigmentin içerisinde en önemli yeri " Klorofil " molekülü tutmaktadır.Klorofil, ortasında Mg (magnezyum) atomu bulunan karmaşık yapılı bir organik bileşiktir.Kloroplastın içerisinde lamelli yapılar, bu yapıların membranlarının içerisinde ise klorofil molekülü gruplar halinde bulunurlar.Bu kloforfil grupları, ışık enerjisini absorbe ettiği zaman elektron fırlatır ve asıl sentezleme işlemi bu noktadan sonra başlar.Bu karmaşık işlemlerin nasıl meydana geldiğini şekilerle görelim.

Kloroplast şekildeki gibi kanallı bir yapıya sahiptir.

Bu kanallar aslında kloroplastın çift katlı zarının iç tarafındakinin katlanmalarıyla meydana gelmiştir.Bu yassı keseciklere " Lamel ", lamellerin üst üste gelerek grup oluşturmuş haline ise " Grana " adı verilir.Fotosentezin reaksiyonları, ince lamel (tilakoid) zarının içerisinde meydana gelir.

Klorofil molekülleri lamel zarları içerisinde birbirinden bağımsız olarak konumlanmazlar.Klorofil molekülleri 200 - 300 er gruplar halinde kümelenirler ki bu kümelere " Kuantozom " adı verilir.



Kuantozom yani klorofil molekül grupları, ışık enerjini absorbe ederek molekül grubunun ortasında bulunan ve
" P680 " olarak adlandırılan bir çeşit moleküle kadar iletir.Bu molekül klorofil molekülleri tarafından kendisine iletilen ışık enerjisinin etkisiyle elektron fırlatır.



Bundan sonraki basamakları şekil üzerinde görelim.

Şekildeki reaksiyonlar tilakoid zarının içerisinde cereyan etmektedir.

Stroma bölgesi kloroplastın iç bölgesidir.Tilakod zar, lamelin etrafını saran zar olup lamelin iç tarafına ise
" Lümen " denir.Işık fotonları sol tarafta görülen 1.kuantozoma çarpınca (Bu kuantozom fotosistem 2 dir.), klorofil molekülleri (yeşil noktalar) molekülleri ışık enerjisini absorbe ederek merkezdeki P680 molekülüne (kırmızı renkli) kadar iletirler.P680, suyun parçalanması ile serbest kalan 2 elektronu, henüz keşfedilememiş bir aracı moleküle iletir.

Elektronlar bu molekül üzerinden " Plastokinon (PQH) " ' a gelir.Plastokinon kendini redükte etmek için stromadan yani tilakoid membranının dış tarafından yada diğer bir deyimiyle kloroplastın iç tarafından H (+) iyonunu alır.Elektronlar plastokinondan çıktıktan sonra Sitokrom - f ' ye giderken ATP senezine katılır.Sitokfom - f ye gelen elektron ardından merkezinde P700 molekülü bulunan diğer kuantozoma gelir (Bu kuantozomda fotosistem 1 dir).Fotosistem 1 e ulaşan elektronlar buradan, yapısında demir ve sülfür bulunduran protein kompleksine gelir.Elektronların buradan sonra izleyebileceği iki yol vardır.

Ya Sitokrom - b6 üzerinden plastokinona geri döner, yada ferredoksin molekülüne giderek NADPH sentezini gerçekleştirir.

P680 molekülü P700 molekülüne göre daha kısa dalga boyuna sahip ışınları absorbe eder.Eğer P680 sistemi çalışmaz ise su parçalanamayacağı için H (+) iyonu serbest kalamayacak ve NADP redüklenemeyecektir. Dolayısıyla P700 sistemi elektronunu demir sülfürlü protein üzerinden sitokrom - b6 ya fırlatarak bir döngü oluşmasını sağlar.İşte bu şekilde bir elektron döngüsüyle ATP sentezlenmesi olayına " Devresel
fotofosforilasyon " denir.

Eğer P680 sistemi aktif ise, suyun parçalanmasıyla serbest kalan 2 elektronu kazandığı gibi plastokinona ve oradanda P700 sistemine gönderir.P700 den fırlatılan elektronlar, demir sülfürlü protein üzerinden " Ferredoksin " ' e ulaşır ve ortamdaki serbest H (+) iyonlarını kullanılarak NADPH sentezini gerçekleştirilir.P680 tarafından verilen elektronlar molekülün bulunduğu kuantozoma bir daha dönmediği için bu şekilde NADPH sentezlenmesi olayına
ise " Devresel olmayan fotofosforilasyon " adı verilir.

Stromadan plastokinon (PQH) ' a gelen hidrojen, yine plastokinon üzerinden lümene geçer.Plastokinon burada H (+) iyonunu ileten bir mekik görevi üstlenmiştir.H (+) iyonları lümene geçtikten sonra aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi ATP sentezlenir.

Bu mükemmel sistem sayesinde bitki kendi bünyesi için ATP üretip enerji sağlarken, aynı zamanda yaşamımız için gerekli olan oksijenide atmosfere serbest bırakmış olur.

Doğada atmosfere serbest bırakılan oksijenin % 80 ' i deniz bitkileri ve fotosentez yapan mikroorganizmalar tarafından üretilir.Geriye kalan % 20 lik kısım ise kara bitkileri tarafından üretilir.Bitkiler ürettikleri ATP enerjisini kullanarak glikoz ve karbonhidrat moleküllerini sentezlemektedir.Üretilen bu maddelerin yanlızca % 10 luk kısmı besin kaynağı olarak doğaya sunulurken, % 90 lık kısmını ise bitki, kendi yapısal organizasyonunu kurmak için kullanır.Mesela gövdenin odunlaşması gibi.

Fotosentezin hızı ise çeşitli faktörlere bağlıdır.Bu faktörler arasında ortamın CO2 konsantrasyonu, sıcaklık, bitkinin topraktan çektiği su miktarı, nemlilik ve yaprak yapısı bu faktörlerin başında gelir.

Fotosentezde yukarıda anlattığımız sisteme alternatif olarak değişik yollarda vardır.Bitkiler normalde gündüzleri yaprak stomalarını açarak CO2 yi absorbe eder ve aynı anda güneş ışığıyla birlikte fotosentez reaksiyonlarını gerçekleştirir.Fakat çöl bitkilerinde durum böyle değildir.

Çöllerde sıcaklık yüksek olduğu için bitki, stomalarını gündüz vakitlerinde kapalı tutar.Çünki açık tutması halinde bitki aşırı miktarda su kaybedecek ve ölecektir.Fakat stomalar açılmadan atmosferden CO2 absorbe etmekte mümkün değildir.

Bitki bu problemin üstesinden nasıl gelmiştir ?.

İnsanoğlu olarak kolay kolay çözüm bulamayacağımız bu büyük problemi, bitki kendisine verilen mükemmel enzimler sayesinde rahatlıkla çözmekte ve tıpkı diğer bitkiler gibi fotosentez yapıp ATP gereksinimini karşılamaktadır.

Sistem şu şekilde çalışır ;

Yandaki şekilde bitkilerde CAM metabolizmasını anlatan çizim görülmektedir.

Bitkinin yaprakları gündüzleri kapalı olmasına karşın geceleri açıktır.Geceleri atmosferden absorbe ettiği CO2 gazını PEP (Fosfoenol pirüvik asit) ile reaksiyona sokarak " Malik asit " üretmektedir.Ürettiği malik asidi hücrelerindeki vakuollerde biriktirip depo eder.

Gündüzleri ise stomaları kapar ve bu nedenle artık hücrelere CO2 girişi durur.Fakat bitki CO2 gazını malik asiti parçalayarak elde eder.NADP, malik asiti dekarboksile eder ve NADPH ' a dönüşür.Malik asit dekarboksile olurken hem yapısındaki CO2 yi serbest bırakır hemde pirüvik asite dönüşür.



Pirüvik asit (3 karbonlu) daha sonra kalvin çemberi adı verilen reaksiyon basamakları ile 6 karbonlu şekerlere dönüştürülerek, geceleri tekrar PEP i vermek için reaksiyonlara katılır.

Özet olarak ; Bitki geceleri absorbe ettiği karbondioksiti PEP yardımıyla malik asite çevirmekte, gündüzleri ise stomalarını kapayarak malik asiti parçalayıp karbondioksit gazını tekrar elde etmektedir.Bitkinin bu şekilde asit sentezleyip bu asiti gerektiği zaman yıkması olayına " Crassulacean asit metabolizması (CAM) " adı verilir.



Buraya kadar anlatılan kimyasal reaksiyonlar bitki ve hayvan organizmalarındaki karmaşayı gözler önüne sermektedir.Hücrenin kendi içerisinde bile olağan üstü karmaşa içerisinde metabolik olaylar cereyan etmektdir.Milyarlarca trilyonlarca hücrenin birbirleriyle anlaşarak eşi benzeri olmayan kimyasal fabrikalar gibi çalışması, canlıların yapısal organizasyonlarının kusursuz bir şekilde tasarlandığını ortaya koymaktadır.

Bugün teknolojisi, canlıların içerisinde yürüyen metabolik faaliyetlerin bir benzerini değil yapmak yanından bile geçememektedir.Buraya kadar anlatmaya çalıştığımız onlarca metabolik faaliyetler, hücre içinde yürüyen kimyasal reaksiyonların yanında çöldeki kum tanesi kadar kalmaktadır.