FOTOSENTEZ KALVİN DÖNGÜSÜ MBG 101 GENEL BİYOLOJİ I. Doç. Dr. Yelda ÖZDEN ÇİFTÇİ. Karbon fiksasyonu

Transkript

1 FOTOSENTEZ KALVİN DÖNGÜSÜ MBG 101 GENEL BİYOLOJİ I Doç. Dr. Yelda ÖZDEN ÇİFTÇİ Karbon fiksasyonu Karbonhidratlar birçok C H bağları içermektedir ve CO 2 ye göre oldukça indirgenmişlerdir. Karbonhidratların yapımı için hücreler tilakoitte ışığa bağımlı reaksiyonda üretilen enerji ve elektron kaynaklarını kullanmaktadır. 1) Enerji: Döngüsel ve döngüsel olmayan fotofosforilizasyondan sağlanan ATP enerji gerektiren reaksiyonları yürütür. 2) Redüksiyon potansiyeli: Fotosistem I tarafından üretilen NADPH, karbon atomlarının bağlanması için gereken proton ve enerjitik elektron kaynağı sağlamaktadır. 1

2 Kalvin döngüsü Yapılan çalışmalar sıcaklığa bağımlılık gösterdiğinden fotosentezin enzim ile katalizlenen reaksiyonları olduğu tahmin edilmişti. Bu reaksiyonlar solunumda Krebs döngüsüne benzer şekilde enzim ile katalizlenen döngüleri oluştururlar. Krepsten farklı olarak, karbon fiksasyonu yeni ürünlerin üretimi yönünde olduğundan döngülerin doğası biraz farklıdır. Kalvin döngüsü Melvin Calvin ( ) tarafından keşfinden dolayı karbon fiksasyon döngüsüne Kalvin Döngüsü denilmektedir. İşlem aynı zamanda döngünün ilk araürününün (fosfogliserat) 3 karbonlu olması nedeniyle C3 fotosentezi olarak da bilinmektedir. Bu işlemdeki ana basamak olan ve CO 2 redüksiyonuna olanak tanıyan olay CO 2 i yüksek özgünlükteki organik moleküle bağlamaktır. Fotosentetik hücreler bu molekülü glikolizizin iki ara ürünü olan fruktoz 6 fosfat ve gliseraldehit 3 fosfatı birbirine bağlayıp, enerjice zengin olan 5 C lu ribuloz 1,5 bifosfatı (RuBP) oluşturarak yapar. CO 2 RuBP ile reaksiyona girerek, 6 karbonlu geçici molekül oluşturur. Geçici molekül hemen ikiye bölünüp 3 karbonlu iki molekül 3 fosfogliseratı (PGA) oluşturur. Tüm bu reaksiyonlara inorganik karbonun (CO 2 ) PGA denilen organik şekle sokulmasını sağladığı için karbon fiksasyonu denilmektedir. Bu reaksiyonu yürüten enzim olan ribuloz bifosfat karboksilaz/oksijenaz (kısaca rubisco) kloroplast stromasında bulunan büyük 16 altüniteli bir enzimdir. 2

3 Kalvin döngüsü Reaksiyonlar serisinde 12 molekül PGA üretimi için (toplamda 12 x 3= 36 karbon atomu; 6 tanesi CO 2 denve 30 tanesi RuBP den) 6 molekül CO 2, rubisco tarafından 6 RuBP ya bağlanır. 36 karbon atomu daha sonra başlangıç basamağında kullanılan 6 molekül RuBP (6 x 5= 30 karbon atomu içeren) tekrar rejenere eden bir döngüsel reaksiyona katılır. Bu durum net kazanç olarak her biri 3 karbon atomu içeren 2 molekül gliseralaldehit 3 fosfatı (G3P) bırakır. Bu iki G3P molekülü daha sonra 1 mol glukoz yapımı için kullanılır. Kalvin döngüsü Kalvin döngüsünün net denklemi; 6 CO ATP + 12 NADPH + su 2 G 3 P + 16 Pi + 18 ADP + 12 NADP Döngünün 6 kez tekrarlanması ile, 6 molekül CO 2 döngüye girmekte 2 molekül G3P üretilmekte ve 6 molekül RuBP rejenere edilmektedir. Böylece döngünün 6 kez tekrarı ile üretilen 2 G3P tek molekül glikoz yapımında kullanılır. Döngünün 6 kez tekrar etmesine aynı zamanda 6 molekül CO 2 de katılarak her ne kadar 6 karbon atomunun tamamı glikoz ile sonuçlanmasa da glikozun sentezi için yeterli karbonu sağlamaktadır. 3

4 Kalvin döngüsü Döngünün aşamaları Kalvin döngüsü 3 aşamalı olarak düşünülebilir: 1) karbon fiksasyonu, 2) indirgenme, 3) RuBP nin rejenerasyonu Karbon fiksasyon reaksiyonları 2 molekül 3 karbonlu fosfogliserat (PGA) üretmektedir. PGA daha sonra glikolizizin tersi reaksiyonlar ile G3P a indirgenmektedir ve son olarak G3P RuBP nin rejenerasyonu için kullanılmaktadır. 6 CO ATP + 12 NADPH + su 2 G 3 P + 18 ADP + 16 P İ + 12 NADP + 4

5 Kalvin döngüsü Döngünün 3 kez tekrar etmesi ile yeni molekül G 3 P nin üretimi için yeterli karbon oluşurken, 6 kez tekrar 1 glikoz molekülünü sentezlemek için yeterli karbonu sağlamaktadır. CO 2 in indirgenme reaksiyonlarının farklı kısımları için doğrudan olmasa da ışık gerekli olmaktadır. Rubiscoyu da içeren Kalvin döngüsünün 5 enzimi ışık ile aktive edilmekte ve bu nedenle ışıkvarlığında işlevsel olmakta veya daha etkin iş görmektedirler. Işık aynı zamanda kloroplast membranı boyunca 3 karbonlu ara ürünlerin naklini de uyarmaktadır. Ve son olarak, ışık rubisco enzimini aktive eden Mg +2 un kloroplast stromasına akışını da teşvik etmektedir. Kalvin döngüsünün çıktıları Gliseraldehit 3 fosfat glikolizizin 3 karbonlu önemli bir ara ürünüdür. Çoğu kloroplasttan hücrenin sitoplazmasına taşınır ki sitoplazma glikolizizin birkaç ters reaksiyon ile fruktoz 6 fosfat ve glikoz 1 fosfata dönüştürülmesine izin vermektedir. Bu ürünler daha sonra bitkilerde en önemli taşınma şekeri olan sukrozun (sukroz, fruktoz ve glikozdan oluşandisakkarittir) oluşmasında kullanılır. Yoğun fotosentez zamanında G 3 P seviyesi kloroplastın stromasında artar. Bunun sonucu olarak, kloroplasttaki bazı G 3 P ler glikoz 1 fosfata dönüştürülür. Glikoz 1 fosfat daha sonra sitoplazmada nişasta taneleri olarak depolanan uzun zincirli nişastayı oluşturmak için birleşir. 5

6 Enerji döngüsü Fotosentez başlangıç substratı olarak solunumun ürünlerini kullanmakta ve solunum başlangıç substratı olarak fotosentez ürünlerini kullanmaktadır. Ayrıca, bitkilerde elektron taşıma ve ATP üretiminde rol oynayan önemli proteinler evrimsel olarak mitokondride bulunan proteinler ile ilişkilidir. Kloroplast ve mitokondri 6

7 7

8 Fotosolunum Evrimin her zaman en iyi çözümler ile sonuçlanması beklenmemelidir. Daha çok evrim var olan özelliklerden türevlenen çalışabilir çözümlerin bulunmasını desteklemektedir. Fotosentezde bir istisna değildir. Fotosentezin karbon fiksasyonunun önemli reaksiyonlarını katalizleyen enzim olan Rubisco yarı optimal çözümü tercih etmiştir. Enzim RuBP in oksidasyonu denilen ve karbon fiksasyonu ile etkileşen ikincil bir enzimatik aktiviteye sahiptir. Fotosolunum denilen bu işlemde O 2 RuBP a katılarak, CO 2 salınmasını sağlayan ek reaksiyonlara girer. Böylece fotosolunum karbon fiksasyonunu bozacak şekilde CO 2 açığaçıkartmaktadır. Fotosolunum fotosentez verimini azaltmaktadır. RuBP nin karboksilasyonu ve oksidasyonu rubisconun aynı aktif bölgesinde katalizlenmekte, CO 2 ve O 2 bu bölgeye bağlanmak için rekabet etmektedir. 25 C ta normal koşullar altında karboksilasyon reaksiyonlarının hızı oksidasyon reaksiyonunun hızının 4 katıdır. Bu fotosentetik olarak fikse edilen karbonun %20 sinin fotosolunumda kaybolduğu anlamına gelmektedir. Bu kayıp sıcaklığın artması ile sıcak ve kurak koşullarda suyun korunması için yaprakta bulunan stomaların kapanması nedeniyle daha da arttmaktadır. Bu kapanış aynı zamanda yaprağa CO 2 alınımını da kesmekte ve O 2 nin çıkmasını da engellemektedir. Sonuç olarak, yaprak içindeki düşük CO 2 ve yüksek O 2 koşulları fotosolunumu desteklemektedir. 8

9 C3 bitkileri Sadece C3 fotosentezini (Kalvin Döngüsünü) kullanarak karbon fikse eden bitkilere C3 bitkileri denilmektedir. Diğer bitkiler 4 karbonlu molekül oluşturmak için fosfoenolpiruvata (PEP) CO 2 eklemektedirler. Bu reaksiyon PEP karboksilaz denilen enzim ile kataliz edilmektedir. Bu enzimin rubiscoya göre 2 üstünlüğü bulunmaktadır: 1) rubiscoya göre CO 2 e daha fazla affinitesi vardır, 2) enzimin oksidaz aktivitesi yoktur. 9

10 PEP karboksilaz PEP karboksilaz tarafından üretilen 4 karbonlu bileşik sonuçta sadece dekarboksile edilmek için daha çok modifikasyon geçirir. Bu dekarboksilasyon tarafından salınan CO 2 daha sonra Kalvin döngüsünde rubisco tarafından kullanılır. Bu CO 2 in doğrudan rubisco bölgesine pompalanmasını sağlamakta bu da CO 2 derişimini O 2 ne göre arttırarak fotosolunumu azaltmaktadır. PEP karboksilaz tarafından üretilen 4 karbonlu bileşik CO 2 in organik biçimde (daha sonra farklı hücrelerde salınmasını veya CO 2 seviyesini O 2 negöredahayüksek tutmak için farklı zamanlarda salınmasını sağlayacak şekilde) saklanmasını sağlar. C3 bitkileri Fotosolunum sonucunda karbonhidrat verimindeki azalma önemsiz değildir. Bu yolla C3 bitkileri fotosentetik olarak fikse ettikleri karbonun %25 ila %50 sini kaybederler. Kayıp oranı daha çok sıcaklığa bağlıdır. Özellikle sıcaklığın 28 C dan fazla olduğu tropik iklimlerde bu sorun çok ciddidir ve tropikal tarım üzerine çok etkilidir. 10

11 C4 ve CAM bitkileri PEP karboksilaz kullanarak CO 2 i yakalayan bitkiler, O 2 e göre daha fazla CO 2 seviyelerini korumalarına göre 2 gruba ayrılmaktadır. C4 bitkilerinde CO 2 in yakalanması bir hücrede, dekarboksilasyon ise komşu hücrede gerçekleşmektedir. Bu fotosolunum sorununa mekansal bir çözüm getirmektedir. CAM bitkileri denilen ikinci grup bitkiler ise iki reaksiyonu da aynı hücrede ancak farklı zamanlarda (PEP karboksilaz kullanarak CO 2 in yakalanması gece, dekarboksilasyon ise gündüz) yapılmaktadır. CAM, Crassulaceae bitki ailesinde ilk keşfedildiğinden Krassulean asit metabolizması olarak bilinmektedir. Bu mekanizma fotosolunum sorununa zamansal çözüm getirmektedir. 11

12 C4 bitkileri C4 bitkileri mısır, şeker kamışı ve bazı ot türlerini içermektedir. Bu bitkiler öncelikle PEP karboksilaz kullanarak karbonu mezofil hücrelerinde fikse etmektedir. Bu reaksiyon malata dönüştürülen oksaloasetik asit organik asiti üretmekte ve daha sonra malat yaprak damarının yakınında bulunan demet kını hücrelerine aktarılmaktadır. Demet kını hücreleri içinde ise malat, pruvat ve CO 2 oluşturmak için dekarboksile edilir. Demet kını hücreleri CO 2 e geçirgen olmadıklarından bu hücrelerde yerel CO 2 seviyesi yüksektir ve rubisco tarafından Kalvin döngüsü ile yapılan karbon fiksasyonu etkindir. Dekarboksilasyon ile oluşan pruvat tekrar PEP e çevrilmesi ve böylece döngüyü tamamlaması için mezofil hücrelerine geri gönderilir. C4 bitkileri Her ne kadar C4 yolu fotosolunum sorununu ortadan kaldırsa da bir maliyeti vardır. Pruvatın PEP e tekrar dönüştürülmesi ATP de bulanan yüksek enerjili iki bağın kırılmasına gereksinim duymaktadır. Bu nedenle, demet kını hücrelerine aktarılan her CO 2 için 2 ATP harcanmaktadır. Tek bir glikoz üretimi için sadece Kalvin döngüsü ile karşılaştırıldığında ek 12 ATP ye gereksinim duyulmaktadır. Ek masrafına karşın, C4 fotosentezi özellikle fotosolunum ile fikse edilen karbonun yarısından fazlasınınkaybedildiği C3 yoluna göre avantajlıdır. 12

13 C4 bitkileri CAM bitkileri Sıcak bölgelerde fotosolunumun azaltılmasında kullanılabilecek ikinci strateji CAM bitkileri tarafından kullanılmaktadır. CAM bitkileri kaktüs, ananas gibi su depolayan sukkulent bitkileri içermektedir. Bu bitkilerde stoma gece boyunca açık, gündüz boyunca kapalıdır. Bu tip bir stoma açılışı ve kapanışı birçok bitkide rastlananın terstir. CAM bitkileri öncelikle oksaloasetat üretmek için PEP karboksilaz kullanarak, CO 2 ifikse etmektedir. CAM bitkisine bağlı olarak, oksaloasetat sıklıkla diğer organik asitlere dönüştürülür. Bu organik moleküller gece boyunca yığılır ve vakuoldedepolanır. Daha sonra gündüzstoma kapandığında organik asitler yüksek seviyelerde CO 2 verimi için dekarboksile edilir. CO 2 inbuyüksek seviyesi Kalvin Döngüsünün yürütülmesini sağlar ve fotosolunumu azaltır. C4 bitkileri gibi CAM bitkileri de hem C3 hem de C4 yolaklarını kullanmaktadır. Farklılıkları CAM bitkilerinin bu iki yolağı aynı hücre de kullanmaları ancak C4 yolunu gece ve C3 yolunu gündüz yürütmeleridir. Bunakarşın, C4 bitkilerinde her iki yolfarklı hücrelerde yapılmaktadır. 13

14 CAM bitkileri 14